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，他们成功研制出一种新型量子传感装置，并首次在实验中证实了长基线原子干涉仪的核心运行机制。该装置能够有效地消除激光噪声的干扰，即使单次测量被噪声完全遮盖，也能够成功检索到微弱的信号。这项成就对于搜寻暗物质和探测引力波具有重要意义，标志着向构建未来大型基础物理量子传感器迈出了关键一步。

长基线原子干涉仪被视为探测早期宇宙引力波和搜寻暗物质的极具潜力的技术工具。其工作原理是通过激光操控原子云，使其分裂后再重新聚合，并精细测量原子在运动过程中产生的极其细微的变化，从而捕捉到隐藏的信号。

然而，该技术面临一项严峻的挑战：控制实验所用的激光会产生相位噪声，其强度远大于研究人员试图测量的信号。若不进行修正，这些噪声会彻底淹没目标信号。为了克服这一障碍，科学家们设想了一种方法，即比较两个由同一激光控制且位于不同位置的原子干涉仪，以期通过差分测量相互抵消共同的噪声。这种差分测量方法是未来探测器设计的基石，但此前从未在实际条件下得到验证。

为此，该研究团队在一个超冷锶的实验室环境中搭建了一个台式原型系统。该系统包含两团在空间上分离的超冷锶-87原子云，以及一台高度稳定的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器所处的复杂环境，研究人员特意向系统中引入了大量额外的噪声，导致两个独立的干涉仪在单独测量时均无法获得有效信号。

实验结果表明，尽管单个干涉仪的输出数据几乎完全是随机的，但通过对比两者的测量结果，研究人员成功地恢复出了清晰的信号，并且测量精度达到了量子力学所允许的基本极限。进一步的实验证实，即使引入模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号，在该强噪声环境下，该系统依然能够准确地识别出来。

未来，这类装置有望拓展现有探测器能力范围，探索先前无法覆盖的引力波频段，并搜寻新型暗物质形态，为我们理解宇宙提供新的途径。（记者张佳欣）