據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，英國帝國理工學(xué)院開發(fā)出一種量子傳感器原型，首次證明了下一代量子探測技術(shù)背后的關(guān)鍵原理能夠在實(shí)際條件下有效運(yùn)行。該研究展示了如何通過比較兩臺長基線原子干涉儀（一種利用激光精確測量原子行為的儀器）來有效抵消實(shí)驗(yàn)噪聲。相關(guān)論文以“A prototype differential atom interferometer for fundamental physics”為題，發(fā)表于Nature期刊。
這篇論文中的方法使得研究人員即使在單次測量結(jié)果被噪聲淹沒的情況下，仍然能夠成功恢復(fù)目標(biāo)信號，從而為探測來自早期宇宙的引力波以及尋找奇異暗物質(zhì)的信號開辟了新途徑。
這項(xiàng)研究工作是“原子干涉儀天文臺和網(wǎng)絡(luò)（AION）”合作項(xiàng)目的一部分。AION項(xiàng)目由帝國理工學(xué)院牽頭，匯集了英國各地的研究人員，致力于開發(fā)下一代量子傳感技術(shù)。
AION干涉儀的概念設(shè)計(jì)
消除量子測量中的噪聲
理解宇宙的組成以及發(fā)現(xiàn)新的引力波來源，仍然是現(xiàn)代物理學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。這兩類問題都需要測量極微弱的信號，而這些信號極易被背景噪聲淹沒。尋找可靠的探測方法，對于探索當(dāng)前實(shí)驗(yàn)手段無法觸及的宇宙區(qū)域至關(guān)重要。
長基線原子干涉儀（Long-Baseline Atom Interferometers）正逐漸成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最有前景的工具之一。其工作原理是利用激光將原子云分裂成不同的量子態(tài)路徑，隨后再將其重新合并，通過分析干涉效應(yīng)，可以以極高精度測量原子運(yùn)動(dòng)中極其微小的變化。
長基線原子干涉儀實(shí)驗(yàn)圖
這類實(shí)驗(yàn)的核心原理是：比較位于不同位置的兩團(tuán)原子云的行為，而這兩團(tuán)原子云均由同一束激光進(jìn)行操控和測量。如果兩者之間出現(xiàn)差異，則可能意味著探測到了此前隱藏的物理信號，例如暗物質(zhì)場或引力波的存在。
然而，這項(xiàng)量子傳感技術(shù)面臨著一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。用于控制實(shí)驗(yàn)的激光會(huì)產(chǎn)生相位噪聲，其強(qiáng)度遠(yuǎn)超研究人員試圖測量的信號。如果不加以校正，這種噪聲將完全淹沒目標(biāo)信號。
為了克服這一難題，研究人員提出了一種差分測量方案，即通過比較兩個(gè)干涉儀，使共同噪聲相互抵消。該方法構(gòu)成了下一代量子傳感器設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，但此前尚未在實(shí)際工況下得到驗(yàn)證。
在談及這一進(jìn)展的意義時(shí)，帝國理工學(xué)院超冷鍶原子實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合負(fù)責(zé)人Charles Baynham博士表示：“長期以來，我們一直知道量子傳感器有望幫助人類更深入地理解宇宙，但直到最近，相關(guān)技術(shù)才發(fā)展到能夠構(gòu)建具備所需分辨率的量子傳感器。”
Charles Baynham進(jìn)一步表示：“我為我們團(tuán)隊(duì)能將這種量子傳感器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)而深感自豪——我迫不及待地盼望著那一天的到來：那時(shí)，來自原子的信號將向我們揭示數(shù)百萬年前發(fā)生的黑洞合并事件。”
可觀測宇宙中的黑洞合并模擬，以及現(xiàn)有及擬議引力波探測器的預(yù)期靈敏度。
驗(yàn)證差分原子干涉儀
在這項(xiàng)新研究中，研究人員著手通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該差分原子干涉儀。在帝國理工學(xué)院超冷鍶實(shí)驗(yàn)室里，他們搭建了一個(gè)桌面級原型裝置，其中包含兩團(tuán)在宏觀空間上相互分離的超冷鍶-87原子云，并利用同一臺超穩(wěn)時(shí)鐘激光器對它們進(jìn)行探測。
這一實(shí)驗(yàn)裝置旨在模擬未來大型長基線量子傳感實(shí)驗(yàn)中的工作環(huán)境。在這些更大規(guī)模的系統(tǒng)中，噪聲控制將變得更加困難和關(guān)鍵。
為了測試差分原子干涉儀的極限性能，研究團(tuán)隊(duì)特意向系統(tǒng)中引入了大量的額外相位噪聲——其強(qiáng)度遠(yuǎn)超時(shí)鐘激光器自然產(chǎn)生的噪聲水平——以此模擬長基線傳感器中預(yù)期的環(huán)境條件。
若單獨(dú)觀察，每個(gè)干涉儀都無法正常工作，因?yàn)槠湫盘栆驯辉肼曆蜎]；原本用于進(jìn)行測量的干涉圖樣也已完全消失。
然而，當(dāng)對兩個(gè)干涉儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對時(shí)，研究人員仍能提取出清晰的信號。盡管單次測量結(jié)果看似隨機(jī)，但兩者之間的相關(guān)性揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在特性。這種聯(lián)合測量方式達(dá)到了量子物理所規(guī)定的基本極限，證明了激光噪聲消除機(jī)制能夠按預(yù)期發(fā)揮作用。
隨后，研究人員更進(jìn)一步，向系統(tǒng)中引入了一個(gè)額外的振蕩信號，以此模擬引力波或暗物質(zhì)場可能產(chǎn)生的效應(yīng)。即便在單個(gè)干涉儀都無法提供有效信息的條件下，該信號依然能夠被系統(tǒng)清晰地檢測出來。
邁向下一代量子傳感器
這項(xiàng)研究成果為長基線原子干涉儀的一項(xiàng)關(guān)鍵原理提供了首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有助于解決其設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心難題。在AION項(xiàng)目框架下，研究人員正在開發(fā)必要的技術(shù)，以便將量子傳感系統(tǒng)擴(kuò)展為能夠探測宇宙未知區(qū)域的實(shí)驗(yàn)裝置。
AION也是一項(xiàng)更廣泛國際計(jì)劃的組成部分，該計(jì)劃包括與費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）及其相關(guān)美國機(jī)構(gòu)的MAGIS項(xiàng)目建立密切合作關(guān)系，共同推動(dòng)用于基礎(chǔ)物理研究的大型原子干涉儀的發(fā)展。
帝國理工學(xué)院超冷鍶實(shí)驗(yàn)室Richard Hobson博士表示：“我們利用了人類制造出的最精密儀器——原子鐘和原子干涉儀——將它們結(jié)合起來并證明其能夠被重新用于探索宇宙中那些原本不可見的領(lǐng)域，從而為認(rèn)識宇宙打開全新的窗口。我們目前的實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)原型，但若能將其擴(kuò)展為像費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室那樣的大型設(shè)施，我們將能夠探索物理學(xué)中最深?yuàn)W的謎題，包括暗物質(zhì)的本質(zhì)。”
作為構(gòu)建新一代量子傳感器國際合作項(xiàng)目的一部分，帝國理工學(xué)院的研究人員目前正在制定相關(guān)量子傳感系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃。未來，這些量子傳感器有望探索此前無法觀測的引力波頻段并搜尋新型物質(zhì)，從而開啟一扇探索宇宙的全新窗口。
帝國理工學(xué)院AION項(xiàng)目首席研究員Oliver Buchmueller教授補(bǔ)充道：“這項(xiàng)工作標(biāo)志著面向基礎(chǔ)物理研究的大規(guī)模量子傳感器發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑。我們在接近實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)條件下驗(yàn)證了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)對于當(dāng)前國際上正在規(guī)劃和建設(shè)的下一代原子干涉儀設(shè)施具有重要意義。”
AION項(xiàng)目由帝國理工學(xué)院牽頭，成員包括來自伯明翰大學(xué)、劍橋大學(xué)、利物浦大學(xué)、倫敦國王學(xué)院和牛津大學(xué)的研究人員，以及科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會(huì)（STFC）盧瑟福·阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室（Rutherford Appleton Laboratory）的科研人員。
《量子傳感器技術(shù)及市場-2026版》
