Ein bahnbrechender Quantensensor, der von Forschern des Imperial College London entwickelt wurde, hat erstmals gezeigt, dass eine zentrale Idee hinter Quantendetektoren der nächsten Generation unter realistischen experimentellen Bedingungen funktioniert — und Signale aus Lärm zurückgewinnt, der so tief ist, dass einzelne Messungen unbrauchbar wurden.
Die am 17. Juni in Nature veröffentlichte und am 5. Juli breit berichtete Studie zeigt, dass der Vergleich von zwei Atominterferometern mit langer Baseline — Instrumente, die Laser verwenden, um das Verhalten von Atomen mit extrem hoher Präzision zu messen — experimentelles Rauschen effektiv aufheben kann. Dies ermöglicht den Nachweis schwacher Signale von Gravitationswellen aus dem frühen Universum und Hinweisen auf ungewöhnliche Formen Dunkler Materie.
Der Prototyp wurde im Imperial Ultracold Strontium Laboratory gebaut. Die Forscher erzeugten zwei weit voneinander getrennte Wolken aus ultrakalten Strontium-87-Atomen, die beide mit einem einzigen ultrastabilen Uhrenlaser gemessen wurden. Um die Technik zu testen, fügten sie dem System absichtlich große Mengen an Phasenrauschen hinzu, um die Bedingungen zukünftiger, viel größerer Detektoren nachzuahmen.
Für sich allein genommen wurden beide Interferometer unbrauchbar — das Rauschen überwältigte ihre Signale vollständig. Aber beim Vergleich der beiden erschien das Signal wieder. Die kombinierte Messung erreichte die von der Quantenphysik gesetzte fundamentale Grenze und bewies, dass die Laser-Rauschunterdrückung wie erforderlich funktioniert. Das Team fügte dann ein oszillierendes Signal hinzu, ähnlich dem, was eine vorbeiziehende Gravitationswelle oder ein Dunkle-Materie-Feld erzeugen könnte, und es blieb klar nachweisbar.
"Wir wissen seit langem, dass Quantensensoren uns helfen können, das Universum zu verstehen, aber erst seit kurzem ist es möglich, sie mit der erforderlichen Auflösung zu bauen", sagte Dr. Charles Baynham, Co-Leiter des Labors. "Ich kann den Tag kaum erwarten, an dem Signale von einem Atom uns von einem Schwarzen Loch erzählen, das vor Millionen von Jahren verschmolzen ist."
Die Arbeit ist Teil der Atom Interferometer Observatory and Network (AION) Kollaboration, die mit dem MAGIS-Projekt am Fermilab und der vorgeschlagenen AICE-Anlage am CERN verbunden ist. Wenn sie realisiert werden, könnten diese Anlagen zu den größten je gebauten Quantenexperimenten werden.
