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研人员在《自然》期刊上公布了一项突破性进展，他们成功研制出一种新型量子传感设备，并在实验中首次证实了长基线原子干涉仪的核心运行机制。这项技术能够有效抑制激光产生的干扰，即使单次测量完全被噪声所覆盖，也能成功提取出微弱的信号。此项成就对于搜寻暗物质和探测引力波具有重要意义，标志着向开发未来大规模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最具潜力的方法之一。该技术通过激光操控原子团的运动，使其分离后再重新汇合，并精确测量原子在运动过程中发生的极其细微的变化，从而捕捉到隐藏的信号。

然而，该技术面临一个严峻的挑战：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测量的目标信号。若不进行校正，这些噪声会彻底遮蔽目标信号。为应对此问题，科学家们提出了一种方案：通过比较两个由同一激光源驱动、且位于不同位置的原子干涉仪，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石，但此前一直未能得到实际条件的验证。

为此，该研究团队在一个超冷锶实验室搭建了一个台式原型系统，该系统包含两团空间分隔的超冷锶-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可能遭遇的复杂环境，研究人员有意向系统中引入了大量的额外噪声，导致两个独立的干涉仪在单次测量时均无法获得有效的信号。

实验结果表明，尽管单个干涉仪的输出数据近乎完全随机，但通过比对两者的测量结果，研究团队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。进一步的实验证实，即使在存在模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号的情况下，该系统在强噪声环境中依然能够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的能力范围，探索其尚未覆盖的引力波频段，并有助于发现新的暗物质形态，从而为我们理解宇宙提供新的视角。（记者张佳欣）

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