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科学家们开发出一种创新的量子传感设备，首次在实验中证实了长基线原子干涉仪的核心运作机制。这项新技术能够有效消除激光的干扰，即使单次测量被噪声完全覆盖，也能成功提取出微弱的信号。这项突破性的研究成果有望解决搜寻暗物质和引力波的难题，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索早期宇宙引力波和搜寻暗物质的领先技术之一。其原理是利用激光将原子团分离后重新聚合，通过精确测量原子在运动过程中产生的细微变化来捕获隐藏的信号。

然而，该技术面临一个严峻的挑战：用于操控实验的激光会产生相位噪声，其强度远超研究人员试图测量的信号。若不加以纠正，这些噪声将彻底掩盖目标信号。为了应对此问题，科学家们设想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，从而实现噪声的相互抵消。这种差分测量方法是下一代探测器设计的基石，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套台式原型系统，该系统包含两团在空间上分离的超冷锶-87原子云以及一个高度稳定的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器可能遇到的复杂条件，他们特意向系统中引入了大量额外的噪声，导致两个干涉仪在单独运行时均无法获得有用的测量数据。

实验结果表明，尽管单个干涉仪的输出几乎完全随机，但通过比对两者的测量数据，研究人员成功地恢复了清晰的信号，测量精度达到了量子力学所允许的理论极限。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难以覆盖的引力波频段，并搜寻新型暗物质形态，为我们理解宇宙提供新的视角。（记者张佳欣）