Імперський коледж Лондона здійснив складний науковий прорив.
Вченим вдалося довести, що у квантовому експерименті можна придушити шум, не забираючи при цьому корисного сигналу. Це має критичне значення, тому що якщо ви хочете «почути», як ранній всесвіт кричить у гравітаційних хвилях, або відчути легке «тремтіння» темної матерії, вам потрібно спочатку заглушити все інше.
«Давно відомо… що квантові датчики можуть допомогти нам зрозуміти [всесвіт]… проте лише недавно стало можливим створити їх на практиці…»
– Доктор Чарльз Бейнхем
Проблема шуму
Всесвіт шумить. Або точніше шумить лазер.
Для пошуку нових джерел гравітаційних хвиль фізики використовують атомні інтерферометри. Ці прилади поділяють хмари атомів за допомогою лазерів та відстежують їх рух. Невеликі. Точні. Красиві. Але лазери роблять фазовий шум. Величезний фазовий шум, який заглушує сигнал ще до того, як той встигне виявитися.
Якщо шум гучніший за відповідь, ви не отримаєте жодної відповіді. Лише білий шум.
Вчені мали метод вирішення цієї проблеми протягом багатьох років — диференціальний метод. Запускати два інтерферометри паралельно. Порівнювати їх свідчення. Шум, що впливає на обидва прилади, повинен був компенсуватися, тоді як аномальний сигнал від темної матерії залишався б недоторканим.
Ідея була здоровою. Проблема полягала у реалізації. До червня 2026 це залишалося лише теорією. Ніхто було довести, що метод працює у хаотичних, реальних умовах, а чи не в стерильної симуляції.
Перевірка теорії
Тому команда з Імперського коледжу створила прототип.
У своїй ультрахолодній лабораторії вони використовували дві хмари атомів стронцію-87. Розміщених у різних місцях. Вимірювані одним годинниковим лазером. Вони не просто тестували систему, вони піддавали її екстремальному навантаженню.
Вони додавали шуму. Спеціально вносили штучний фазовий шум, який набагато перевищував те, що виробляють реальні лазери. Вони хотіли зламати систему. І це вдалось. Окремо кожен інтерферометр виглядав марним. Випадковим. Інтерференційні візерунки зникали.
Але потім вони порівняли дані.
Сигнал знову виявився. Він був не просто виявлений, він досяг квантової межі – фундаментального рівня шуму, заданого самими законами фізики. Шум лазера зник.
Далі вони подали штучний осцилюючий сигнал, що імітує гравітаційну хвилю, що проходить. Він все одно пройшов чітко та ясно. Жодна з машин не могла побачити його окремо. Разом вони бачили все.
Хіба не дивно, що істина ховається у розриві між двома помилками?
Створення гігантів
Це був настільний експериментальний пристрій. Але воно вказує на науку масштабу хмарочосів.
Ця робота проведена в рамках проекту AION (Атмосферна обсерваторія та мережа атомних інтерферометрів). Це ініціатива, яку очолює Великобританія, яка об’єднується з міжнародними партнерами. У їхньому полі зору MAGIS у Фермілабі (США). І, можливо, навіть ЦЕРН.
Існує пропозиція під назвою AICE (Атомна інтерферометрія у ЦЕРНі). Воно передбачає використання цих технологій на відстанях за кілометри. Якщо його реалізують, ЦЕРН відчинить нове вікно у всесвіт. Не лише на зіткнення частинок, а й на квантову структуру простору-часу.
«Переосмислення ролі атомного годинника і атомних інтерферометрів… щоб відкрити абсолютно нові вікна…»
– Доктор Річард Хобсон
Професор Олівер Бухмюллер назвав це віхою. Можливо, применшує значення. Це зелене світло для великих квантових установок. Тих, що займатимуться вивченням темної матерії. Тих, що дозволять зазирнути в частотні діапазони, поки що невидимі для нас.
Датчики є. Метод працює.
Тепер їм потрібно побільшати. І коли це станеться, ми, можливо, нарешті почуємо подих всесвіту.
Опубліковано: Nature, 17 червня 2326 р.
Співпраця: AION
Ключові учасники: К. Ф. А. Бейнхем, Р. Хобсон, О. Бухмюллер та ін.
Фінансування: Королівське суспільство, програма QTFP (STFC/EPSRC)
