新型量子传感装置能有效抵消激光噪声

英国帝国理工学院的研究人员在《自然》杂志上发表了一项突破性进展，他们成功研制出一款新型量子传感设备，并在实验中首次证实了长基线原子干涉仪的核心运作机制。该设备展现出卓越的抵消激光噪声能力，即便单次测量完全被噪声干扰，也能精确提取出微弱信号。这项成就预示着解决暗物质探测和引力波搜寻难题的重大希望，是构建未来大规模基础物理量子探测器的关键一步。

长基线原子干涉仪被视为探索早期宇宙引力波和搜寻暗物质的极具潜力的技术工具。其原理是通过激光操纵原子团的分离与重合，进而捕捉到原子运动中极其细微的异常，以发现隐藏的信号。

然而，该技术的一大瓶颈在于控制实验所用的激光会产生相位噪声，其强度远超研究人员期望测量的信号。若无有效抑制，这些噪声将彻底遮蔽目标信号。针对此挑战，科学家们提出了一种方案：利用同一束激光同时操控两个位于不同地点的原子干涉仪，通过比较两者的测量结果，实现共同噪声的相互抵消。尽管这种差分测量方法是设计新一代探测器的基础，但此前一直未能得到实际验证。

为实现这一目标，研究团队搭建了一个台式原型系统，该系统基于超冷锶原子实验室，包含两团空间分离的超冷锶-87原子云以及一台高稳定性的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器可能面临的严峻环境，他们有意向系统中引入了大量额外的噪声源，导致两个独立的干涉仪在单次测量时均无法获得可用信号。

实验结果表明，尽管每个干涉仪的独立输出几乎呈现完全随机的状态，但通过对两者数据的比对分析，研究人员成功恢复出了清晰的信号，其测量精度达到了量子力学所允许的理论极限。进一步的测试证实，即使引入模拟引力波或暗物质场产生的波动信号，在强噪声背景下，该系统仍能准确地识别出这些信号。

未来，此类装置有望拓展现有探测器能力范围，覆盖以往难以触及的引力波频率区间，并有助于发现新的暗物质形态，从而为我们理解宇宙提供全新的视角。（记者张佳欣）