Dviejų atomų interferometrų triukšmą naikina lazeris

Įsivaizduokite, kad bandote išgirsti šnabždesį perkūnijos metu. Tokio masto problema laukia fizikų, kai jie ieško silpnų kosminių signalų, pėdsakų, rodančių tamsiąją materiją arba jauno kosmoso bangučių, užglaistytų gausaus instrumentinio triukšmo.

Imperial College London mokslininkai, dirbantys AION bendradarbiavimo rėmuose, sukonstravo stalviršio demonstraciją, kuri apverčia šią problemą aukštyn kojomis. Valdydami du atomų interferometrus kaip porinę sistemą ir skaitydami juos tuo pačiu itin stabiliu lazeriu, jie parodė, kad bendras lazerio triukšmas gali būti atšauktas, paliekant silpną, bet reikšmingą signalą nepažeistą.

Šiame kameros centre mažas švytintis rutuliukas yra atomų debesėlis, beveik pasiekęs absoliutų nulį, levituojantis ant mėlyno lazerio spindulio. Šie atomai bus dar labiau atvėsinti prieš tapdami mažais jutikliais, skirtų klausytis gravitacinių bangų ir tamsiosios materijos. 

Trumpi sakinai dabar. Toliau laukia didelės pasekmės. Atomų interferometrai suskaido ir vėl sujungia ultrakaištų atomų debesis naudodami šviesos impulsus, paversdami smulkius judesio pokyčius matomais faziniais poslinkiais. Kai tokie prietaisai stovi toli vienas nuo kito ir jų klausiama tuo pačiu lazeriu, bet koks lazerio drebėjimas įrašo tą pačią klaidą į abu matavimus. Palyginkite duomenis. Bendroji klaida išnyksta. Likęs dalykas gali būti fizika.

Imperial komanda tyčia sužlugdė eksperimentą, kad įrodytų savo teiginį. Jie įpurškė daug daugiau fazinio triukšmo nei įprastai sukelia realus laikrodžio lazeris, užliejo kiekvieną interferometrą taip, kad atskirai jis atrodė kaip atsitiktinis baltas triukšmas. Visgi, palyginus abu išėjimus, interferencija vėl pasirodė ir matavimas pasiekė kvantiniu ribojimu pagrįstą jautrumą, kurio siekė projektuotojai.

Simuliuoti juodųjų skylių susijungimai stebimajame Visatoje, su numatomu esamų ir siūlomų gravitacinių bangų detektorių jautrumu. Nauja atominiais jutikliais paremtų sistemų klasė, kurios pradininkai yra AION ir AEDGE, gali padėti pastebėti tarpines masines juodąsias skyles (IMBH), kurios turėjo lemiamą vaidmenį mūsų galaktikos formavime.

Porinio interferometro triukas atkūrė signalus, kurie kitu atveju būtų pasimetę, parodydamas lazerio triukšmo slopinimą realiomis sąlygomis.

Kad testas būtų aktualus ateities įrenginiams, grupė naudojo plačiai atskirtus ultrakaištus stroncijaus-87 debesis ir vieną itin stabilų laikrodinį lazerį, imituodama iššūkius, tikėtus ilgos bazės detektoriuose. Jie net pridėjo svyruojantį signalą, primenantį, ką galėtų sukelti einanti gravitacinė banga ar tamsiosios materijos laukas. Parašas išliko. Nei vienas interferometras atskirai neturėjo naudingos informacijos, bet kartu jie atvėrė paslėptą bangos formą.

Vienas iš lazerinių sistemų, naudotų Imperial laboratorijoje atomams vėsinti ir jų kvantinę būseną valdyti. 

Kodėl tai svarbu ne vien kaip įdomus laboratorinis pasiekimas? Nes atomų interferometrų išplėtimas iki kilometrinių bazinių atstumų yra esminis siūlomų projektų elementas, siekiančių atverti naujus Visatos langus. Ilgos bazės, atomais paremtos priemonės galėtų tirti gravitacines bangas dažniuose, kurių dabartiniai lazeriniai interferometrai nepajėgia užfiksuoti, ir jos siūlo naują būdą ieškoti egzotiškų tamsiosios materijos kandidatų, kurie subtiliai sąveikauja su atomais.

Imperial tyrėjai nurodo platesnę projektų ekosistemą, iš kurios gautų naudos. AION pastangos susiję su MAGIS Fermilabe ir pasiūlymais, tokiais kaip AICE CERN, kur panašios technikos galėtų išsitempti per kur kas didesnius atstumus. Tų įrenginių statyba reikalautų didelės galios lazerių, išlaikančių išskirtinį tikslumą, ir metodų suvaldyti triukšmą, kuris neišvengiamai auga su mastu.

Norint sukurti kvantinį jutiklį, šviesa turi būti paruošta kruopščiai valdomoje būsenoje, kur jos dažnis, polarizacija ir intensyvumas yra gerai kontroliuojami. Čia mėlynos šviesos polarizacija pakeičiama prieš ją naudojant atomams atvėsinti iki absoliutaus nulio. 

Priekyje laukia techniniai kalnai. Intensyvios, itin grynos šviesos generavimas ir atomų koherencijos palaikymas per didelius atstumus yra sudėtingi inžineriniai uždaviniai. Tačiau šis principo įrodymas pašalina esminę konceptualią kliūtį: baimę, kad lazerio fazinis triukšmas užlies bet kokį galimą kosminį signalą dviejų interferometrų architektūroje.

Norint sukurti kvantinį jutiklį, šviesa turi būti paruošta kruopščiai valdomoje būsenoje, kur jos dažnis, polarizacija ir intensyvumas yra gerai kontroliuojami. Čia keičiamas raudono lazerio dažnis prieš jį naudojant atomams atvėsinti iki absoliutaus nulio.

Laboratorijos komanda yra optimistiška. Prototipas mažas. Vis dėlto jis parodo, kad principas veikia ir esant stresui. Taip pat tai siūlo aiškų kelią sujungti atominių laikrodžių jautrumą su interferometrų erdviniu pasiekiamumu, sukuriant detektorius, kurie girdėtų dažnių juostas, šiuo metu neprieinamas.

Didelio masto kvantinių jutiklių kūrimo iššūkių dalis yra labai aukštos galios lazerio šviesos generavimas, kuri vis tiek išlieka labai tikslia savo dažniu. Ši nuotrauka rodo titano safyro kristalą, rezonuojantį optiniame rezonatoriuje, generuojantį šviesą, kuri vėliau bus naudojama atomų kvantinės būsenos skaidymui. Raudona šviesa šiame kadre yra viena iš gryniausių egzistuojančių šviesų – ji yra tikrai raudona iki penkioliktojo dešimtainio skaitmens.

Tad ką mes galėtume išgirsti, kai tokio tipo įrenginiai bus pakankamai išplėsti? Galbūt įspėjamąjį tarpinių masių juodųjų skylių susijungimo čirpstelėjimą, arba ritminius svyravimus iš laukų, kurie galėtų būti tamsioji materija. Arba gal nieko pažįstamo, o tik naujus reiškinius, keičiančius mūsų supratimą apie materiją ir gravitaciją.

Tai tvarkinga, žmogiška ambicija: paversti triukšmą signalu ir leisti kosmosui šiek tiek garsiau prabilti.