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》杂志上公布了一项突破性进展，他们成功研发并实验验证了一种新型量子传感装置的核心运作机制，即长基线原子干涉仪的关键原理。该装置的突出特点在于其能够有效地抑制激光产生的噪声干扰，即使在单次测量完全被噪声淹没的情况下，也能成功提取出微弱的信号。这一成就为搜寻暗物质和引力波等重大科学难题提供了新的解决方案，标志着迈向构建未来大型基础物理量子探测设备的重要一步。

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，通过精确测量原子在运动过程中发生的细微变化来捕捉隐藏的信号。

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目标信号。如果没有有效的校正措施，这些噪声将彻底遮蔽住目标信号。为了克服这一困难，科研人员提出了一种差分测量方法，即通过比对两个由同一激光源驱动、但位于不同位置的原子干涉仪，实现共同噪声的相互抵消。这种方法是设计下一代探测器的基础，但此前从未在实际实验条件下得到验证。

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，以及一台极其稳定的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器可能面临的复杂环境，研究人员特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看起来几乎完全随机，但通过比对两个干涉仪的数据，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理论极限。进一步的实验验证了，即使在模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号存在的情况下，该系统在强噪声背景下仍能准确地识别出这些信号。

这项研究的成果预示着，未来这类装置有望拓展现有探测器能力范围，探索更广阔的引力波频段，并搜寻新型暗物质形态，从而为我们理解宇宙提供全新的视角。记者张佳欣报道。这项突破性的技术，或许在未来的世界杯下注领域也能带来意想不到的创新应用。

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