新型量子传感装置能有效抵消激光噪声

帝国理工学院的研究人员在《自然》期刊上发布了一项突破性进展，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作机制。该装置具备一项关键能力，即能有效地消除激光噪声干扰，即使单次测量完全被噪声覆盖，也能从中提取出微弱的信号。这项成就为搜寻暗物质和引力波的挑战提供了解决方案，并标志着向构建未来大型基础物理量子传感器迈出了重要一步。

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。其工作原理是利用激光将原子团分隔后再重新聚合，通过监测原子在运动过程中发生的极其细微的变化来捕获隐藏的信号。

然而，该技术面临一个严峻的障碍：用于控制实验的激光会产生相位噪声，其强度远超研究人员试图探测的信号。若不进行修正，这些噪声将彻底遮蔽目标信号。为了克服这一难题，科学家们提出一种方法，即通过比对两个由同一激光驱动、位于不同位置的原子干涉仪，来实现共同噪声的相互抵消。尽管这种差分测量方法是下一代探测器设计的基础，但此前从未在实际环境中得到验证。

为此，研究团队在一个超冷锶实验室中搭建了一个台式原型系统，该系统包含两团空间分开的超冷锶-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面临的复杂环境，他们特意向系统中引入了大量的额外噪声，导致两个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随机，但通过比对两者的测量结果，研究人员成功地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基准极限。进一步的实验证实，即便在强噪声背景下加入模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号，该系统也能够准确地识别出来。

未来，这类装置有望用于探测当前探测器无法触及的引力波频段，并搜寻新型暗物质形态，从而为我们理解宇宙提供新的视角。（记者张佳欣）