量子传感器克服了寻找暗物质和引力波的主要障碍

帝国理工学院研究人员开发的原型量子传感器首次证明，下一代量子探测器背后的关键原理可以在现实条件下工作。

该研究展示了比较两台长基线原子干涉仪（利用激光精确测量原子行为的仪器）如何有效抵消实验噪声。

这使得即使单个测量量过于繁重，信号也能被恢复，并为寻找早期宇宙引力波和奇异暗物质特征打开了大门。

该工作是原子干涉仪观测站与网络（AION）合作项目的一部分。由帝国大学领导的AION，汇聚了英国各地机构的研究人员，共同开发下一代量子传感技术。

这项研究发表在《自然》杂志上。

量子测量中的消除噪声

理解宇宙的构成并识别新的引力波源仍然是现代物理学中的重大挑战。

这两个问题都需要测量极小的信号，这些信号很容易被背景噪声淹没。找到可靠的探测方法对于探索当前实验无法触及的宇宙部分至关重要。

该腔室中心的那个小发光球是接近绝对零度的原子云，在蓝色激光光下悬浮。这些原子会被进一步冷却，然后变成微小的传感器，用来监听引力波和暗物质。图片来源：伦敦帝国理工学院托马斯·沃克博士

长基线原子干涉仪正成为实现这一目标的最有前景的工具之一。它们通过利用激光劈开原子云，然后将它们重新聚集起来，从而能够极其精确地测量原子运动中的微小变化。

这些实验依赖于比较两个原子云在不同位置被同一激光探测的行为。两者之间的任何差异都可能指向之前隐藏的信号，例如暗物质场的存在。

然而，这一技术面临重大挑战。用于控制实验的激光产生的相位噪声远大于研究人员试图测量的信号。如果不加以纠正，这种噪声会完全掩盖这些效果。

为克服这一问题，科学家提出了一种微分方法，比较两个干涉仪，使共享噪声被抵消。该方法支撑了下一代探测器的计划，但此前尚未在现实条件下进行过演示。

谈及这一进展的重要性，伦敦帝国理工学院超冷锶实验室联合负责人查尔斯·贝恩汉姆博士表示：“我们早已知道量子传感器可以帮助我们理解宇宙，但直到最近，才有可能以所需的分辨率建造它们。

“我们为团队让这些传感器成为现实所付出的努力感到无比自豪——我迫不及待想看到原子信号告诉我们数百万年前合并的黑洞。”

可观测宇宙中的黑洞合并模拟，以及现有和拟议引力波探测器的灵敏度预测。这项工作中开创的新型基于原子的传感器（AION/AEEDGE）可能帮助我们观测中在银河形成中起关键作用的中质量黑洞（IMBH）。图片来源：托马斯·沃克博士，伊丽莎白·帕萨滕布博士，查尔斯·贝纳姆博士，伦敦帝国理工学院

测试方法

在这项新研究中，研究人员着手以实验方式验证这一原理。

在帝国超冷锶实验室，他们制造了一个桌面原型，配有两片宏观分离的超冷锶-87云，由一台超稳定时钟激光器进行探测。

该装置设计旨在模拟未来更大实验中预期的条件，因为噪声控制变得越来越困难。

为了将该方法推向极限，团队有意在系统中引入大量额外的相位噪声——远超时钟激光自然产生的噪声——以模拟长基线探测器预期的条件。

每个干涉仪单独使用后，信号被噪声遮挡。通常允许测量的干涉图样被有效地抹去了。

然而，当两台干涉仪进行比较时，仍然可以恢复到清晰的信号。尽管每个测量看起来都是随机的，但它们之间的相关性揭示了系统的潜在行为。综合测量在量子物理设定的基本极限下工作，证明激光噪声消除按需有效。

科学家们更进一步，向系统引入了额外的振荡信号，类似于经过引力波或暗物质场可能产生的振荡信号。即使在干涉仪本身都不包含可用信息的情况下，这种信号依然可以被清晰探测到。

帝国实验室用于冷却原子并操控其量子态的激光系统之一。图片来源：查尔斯·贝恩汉姆博士，伦敦帝国理工学院

迈向下一代探测器

这些结果首次在实验上验证了长基线原子干涉仪背后的关键原理，帮助解决了其设计中的一个核心挑战。

在AION项目中，研究人员正在开发将这些系统扩展到能够探测宇宙新区域的实验所需的技术。

AION还是一个更广泛的国际项目的一部分，该项目包括与费米实验室的MAGIS项目及相关美国机构的紧密合作，推动基础物理学中大规模原子干涉仪的发展。

其中包括诸如原子干涉CERN实验（AICE）这样的提案，该实验将应用于更远距离的类似技术。如果实现AICE，将代表CERN的新方向，将量子传感应用于大规模基础物理。这些设施也可能成为同类中规模最大的量子实验之一。

要制造量子传感器，光必须在一个严格控制的状态下准备，其频率、偏振和强度都被良好控制。在这里，红色激光的频率会被改变，然后用于将原子冷却至绝对零度。图片来源：伦敦帝国理工学院伊丽莎白·帕萨滕布博士

帝国理工超冷锶实验室联合负责人理查德·霍布森博士表示：“我们利用了一些有史以来最精确的仪器——原子钟和原子干涉仪——并证明它们可以被重新利用，打开通往宇宙中看不见部分的新窗口。

“我们目前的实验只是原型，但将其规模扩大到像CERN或费米实验室这样的实验室，将使我们能够解决物理学中一些最深层的谜团，包括暗物质的本质。”

帝国研究人员目前正在制定这些系统的计划，作为国际合作的一部分，旨在构建新一代量子传感器。未来，这些探测器可能探索此前无法访问的引力波频段，寻找新的物质形式，开启宇宙中此前未被探索的窗口。

构建大规模量子传感器的部分挑战是产生高功率且频率高度精确的激光光。这张图片显示钛蓝宝石晶体在光学腔中共振，产生光，这些光将进一步分裂我们原子的量子态。这张照片中的红光是世上最纯净的光之一——它一直都是红色，直到小数点第十五位。图片来源：查尔斯·贝恩汉姆博士，伦敦帝国理工学院

帝国理工学院AION合作项目首席研究员Oliver Buchmueller教授补充道：“这项工作标志着未来基础物理大型量子传感器的重要里程碑。它在现实实验条件下展示了一项关键技术，适用于目前国际正在开发的下一代原子干涉仪设施，包括费米实验室的MAGIS和拟建的欧洲核子研究中心（CERN）AICE设施。”

AION合作由伦敦帝国理工学院领导，成员包括伯明翰、剑桥、利物浦、伦敦国王学院和牛津大学的研究人员，以及STFC Rutherford-Appleton实验室。

出版信息

Charles Baynham 等人，《基础物理学的微分原子干涉仪原型》，《自然》（2026年）。DOI：10.1038/s41586-026-10617-1。www.nature.com/articles/s41586-026-10617-1

期刊信息：《自然》 

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