Имперский колледж Лондона совершил сложный научный прорыв.
Ученым удалось доказать, что в квантовом эксперименте можно подавить шум, не убирая при этом полезный сигнал. Это имеет критическое значение, потому что если вы хотите «услышать», как ранняя вселенная вопит в гравитационных волнах, или ощутить легкое «дрожание» темной материи, вам нужно сначала заглушить все остальное.
«Давно известно… что квантовые датчики могут помочь нам понять [вселенную]… однако лишь недавно стало возможным создать их на практике…»
— Доктор Чарльз Бейнхэм
Проблема шума
Вселенная шумит. Или, точнее, шумит лазер.
Для поиска новых источников гравитационных волн физики используют атомные интерферометры. Эти приборы разделяют облака атомов с помощью лазеров и отслеживают их движение. Небольшие. Точные. Красивые. Но лазеры вносят фазовый шум. Огромный фазовый шум, который заглушает сигнал еще до того, как тот успеет проявиться.
Если шум громче ответа, вы не получите никакого ответа. Только белый шум.
У ученых был метод решения этой проблемы на протяжении многих лет — дифференциальный метод. Запускать два интерферометра параллельно. Сравнивать их показания. Шум, воздействующий на оба прибора, должен был компенсироваться, в то время как аномальный сигнал от темной материи оставался бы нетронутым.
Идея была здравой. Проблема заключалась в реализации. До июня 2026 года это оставалось лишь теорией. Никто не мог доказать, что метод работает в хаотичных, реальных условиях, а не в стерильной симуляции.
Проверка теории
Поэтому команда из Имперского колледжа создала прототип.
В своей ультрахолодной лаборатории они использовали два облака атомов стронция-87. Размещенных в разных местах. Измеряемых одним часовым лазером. Они не просто тестировали систему, они подвергали её экстремальной нагрузке.
Они добавляли шум. Специально вносили искусственный фазовый шум, который намного превышал тот, что производят реальные лазеры. Они хотели сломать систему. И это удалось. Отдельно каждый интерферометр выглядел бесполезным. Случайным. Интерференционные узоры исчезали.
Но затем они сравнили данные.
Сигнал снова проявился. Он был не просто обнаружен, он достиг квантового предела — фундаментального уровня шума, заданного самими законами физики. Шум лазера исчез.
Далее они подали искусственный осциллирующий сигнал, имитирующий проходящую гравитационную волну. Он все равно прошел четко и ясно. Ни одна из машин не могла увидеть его по отдельности. Вместе же они видели всё.
Разве не странно, что истина прячется в разрыве между двумя ошибками?
Создание гигантов
Это было настольное экспериментальное устройство. Но оно указывает на науку масштаба небоскребов.
Эта работа проведена в рамках проекта AION (Атмосферная обсерватория и сеть атомных интерферометров). Это инициатива, возглавляемая Великобританией, которая объединяется с международными партнерами. В их поле зрения MAGIS в Фермилабе (США). И, возможно, даже ЦЕРН.
Существует предложение под названием AICE (Атомная интерферометрия в ЦЕРНе). Оно предполагает использование этих технологий на расстояниях в километры. Если его реализуют, ЦЕРН откроет новое окно во вселенную. Не только на столкновения частиц, но и на квантовую структуру пространства-времени.
«Переосмысление роли атомных часов и атомных интерферометров… чтобы открыть совершенно новые окна…»
— Доктор Ричард Хобсон
Профессор Оливер Бухмюллер назвал это вехой. Возможно, преуменьшая значение. Это зеленый свет для крупных квантовых установок. Тех, что займутся изучением темной материи. Тех, что позволят заглянуть в частотные диапазоны, пока невидимые для нас.
Датчики существуют. Метод работает.
Теперь им нужно стать больше. И когда это случится, мы, возможно, наконец услышим дыхание вселенной.
Опубликовано: Nature, 17 июня 2326 г.
Сотрудничество: AION
Ключевые участники: К. Ф. А. Бейнхэм, Р. Хобсон, О. Бухмюллер и др.
Финансирование: Королевское общество, программа QTFP (STFC/EPSRC)
