یک حسگر کوانتومی پیشگامانه نشان داده است که میتواند سیگنالهای پنهان را از میان نویزهای بسیار شدید و طاقتفرسا آشکار کند؛ دستاوردی که مسیر را برای جستجوهای آینده در زمینه ماده تاریک و امواج گرانشی باستانی هموار میسازد. نتایج به دست آمده از یک همکاری علمی در بریتانیا، نشاندهنده یک پیشرفت بزرگ به سمت ساخت حسگرهای کوانتومی در مقیاس بزرگ است.
به گزارش واضح به نقل از SciTechDaily، یک نمونه اولیه از حسگر کوانتومی که توسط پژوهشگران امپریال کالج لندن ساخته شده است، برای اولین بار نشان داد که ایده اصلی پشت آشکارسازهای کوانتومی آینده میتواند در شرایط آزمایشگاهی واقعی و عملیاتی کار کند. این مطالعه اثبات میکند که مقایسه دو تداخل سنج اتمی با خط پایه بلند (ابزارهایی که از لیزر برای اندازهگیری رفتار اتمها با دقت بسیار بالا استفاده میکنند)، میتواند به طور مؤثری نویزهای آزمایشگاهی را خنثی و حذف کند.
این امر بازیابی و استخراج سیگنالها را حتی زمانی که هر اندازهگیری فردی در میان حجم عظیمی از نویز مدفون شده است، امکانپذیر میسازد. این پیشرفت علمی میتواند از جستجوهای آینده برای یافتن امواج گرانشی باستانی مربوط به آغاز جهان و همچنین نشانههایی از اشکال غیرمعمول ماده تاریک پشتیبانی کند. این تحقیق که بخشی از پروژه همکاری شبکه و رصدخانه تداخلسنج اتمی (AION) به رهبری امپریال کالج است، در تاریخ ۱۷ ژوئن ۲۰۲۶ در مجله معتبر علمی Nature منتشر شده است.
حذف نویزهای مزاحم در اندازهگیریهای کوانتومی
درک محتویات جهان و یافتن منابع جدید امواج گرانشی، همچنان از بزرگترین سوالات فیزیک مدرن به شمار میروند. هر دو هدف دانشمندان را مستلزم آن میسازد که سیگنالهای فوقالعاده ضعیفی را که میتوانند توسط نویزهای پسزمینه پنهان شوند، آشکار کنند. یافتن راههای قابل اعتماد برای جداسازی این سیگنالها از نویز برای کاوش در مناطقی از جهان که آزمایشهای فعلی قادر به دسترسی به آنها نیستند، حیاتی است.
در حال حاضر، تداخل سنجهای اتمی با خط پایه بلند به یکی از نویدبخشترین فناوریها برای این مأموریت تبدیل شدهاند. آنها از لیزرها برای شکافتن ابرهای اتمی و سپس بازترکیب آنها استفاده میکنند که این کار اندازهگیری تغییرات ناچیز در حرکت اتمی را با دقت استثنایی ممکن میسازد. این روش به مقایسه رفتار دو ابر اتمی متکی است که در مکانهای مختلف قرار گرفته و با یک لیزر مشترک اندازهگیری میشوند. هرگونه تفاوت بین آنها میتواند سیگنالهای پنهان، مانند حضور یک میدان ماده تاریک را آشکار کند.
اما این رویکرد با یک مانع جدی روبرو است؛ لیزری که آزمایش را کنترل میکند، خود یک نویز فاز ایجاد میکند که بسیار بزرگتر از سیگنالهایی است که فیزیکدانان امیدوار به شناسایی آنها هستند. بدون اصلاح این خطا، این نویز اثراتی را که آنها به دنبالش هستند به طور کامل ماسک و پنهان میکند. دانشمندان پیشنهاد کردهاند که این مشکل با یک روش تفاضلی حل شود؛ یعنی مقایسه دو تداخلسنج به گونهای که نویز مشترک بین آنها خنثی شود. این ایده برای برنامههای آشکارساز نسل بعدی محوری است، اما تا کنون کارکرد آن در شرایط واقعی نشان داده نشده بود.
دکتر چارلز باینام (Dr. Charles Baynham)، مدیر مشترک آزمایشگاه استرانسیوم فوق سرد در امپریال کالج لندن، درباره اهمیت این پیشرفت گفت: «ما برای مدت طولانی میدانستیم که حسگرهای کوانتومی میتوانند به ما در درک جهان کمک کنند، اما تنها اخیراً ساخت آنها با وضوح و دقت مورد نیاز ممکن شده است. ما به تلاشهای تیم خود برای واقعیت بخشیدن به این حسگرها بسیار افتخار میکنیم؛ من نمیتوانم برای روزی صبر کنم که سیگنالهای دریافتی از یک اتم، به ما درباره سیاهچالهای بگویند که میلیونها سال پیش ادغام شده است.»
تست و آزمایش عملیاتی رویکرد جدید در آزمایشگاه
در این مطالعه جدید، گروه پژوهشگران امپریال کالج این اصل علمی را در آزمایشگاه آزمایش کردند. در داخل آزمایشگاه استرانسیوم فوق سرد امپریال، آنها یک نمونه اولیه رومیزی با استفاده از دو ابر مجزا و دور از هم از استرانسیوم ۸۷ فوق سرد ساختند که هر دو با یک لیزر ساعتی فوقپایدار اندازهگیری میشدند. این طراحی برای بازسازی شرایط مورد انتظار در آزمایشهای بسیار بزرگتر آینده در نظر گرفته شده بود، جایی که کنترل نویز حتی دشوارتر خواهد شد.
برای آزمایش فشار و سنجش کارایی این تکنیک، این گروه به طور عمدی مقادیر زیادی نویز فاز اضافی را به سیستم اضافه کردند (بسیار بیشتر از آنچه لیزرهای ساعتی به طور طبیعی تولید میکنند) تا شرایط مورد انتظار در آشکارسازهای با خط پایه بلند را شبیهسازی کنند. به تنهایی، هر دو تداخلسنج به دلیل اینکه نویز بر سیگنال غلبه کرده بود، غیرقابل استفاده شدند و الگوهای تداخل که معمولاً برای اندازهگیری استفاده میشوند، عملاً از بین رفتند.
اما هنگامی که دو تداخلسنج با یکدیگر مقایسه شدند، سیگنال دوباره ظاهر شد. اگرچه هر اندازهگیری جداگانه تصادفی به نظر میرسید، اما رابطه بین آنها رفتار اساسی سیستم را آشکار کرد. اندازهگیری ترکیبی به حد بنیادی تعیین شده توسط فیزیک کوانتوم رسید که نشان میدهد حذف نویز لیزر به درستی و طبق نیاز کار میکند. سپس دانشمندان یک سیگنال نوسانی اضافی را به سیستم اضافه کردند، مشابه سیگنالی که میتواند توسط یک موج گرانشی گذرا یا یک میدان ماده تاریک ایجاد شود. این سیگنال همچنان به وضوح قابل شناسایی بود، حتی اگر هیچ یک از تداخلسنجها به تنهایی حاوی اطلاعات قابل استفادهای نبودند.
حرکت به سمت ساخت آشکارسازهای نسل بعدی
این یافتهها اولین اثبات تجربی و آزمایشگاهی را برای یک اصل کلیدی در پشت تداخلسنجهای اتمی با خط پایه بلند ارائه میدهند و به حل یکی از چالشهای اصلی در طراحی آنها کمک میکنند. از طریق برنامه AION، محققان در حال ساخت فناوریهای مورد نیاز برای مقیاسپذیری این سیستمها به آزمایشهایی هستند که قادر به کاوش در مناطق جدیدی از جهان باشند.
پروژه AION همچنین بخشی از یک تلاش گستردهتر بینالمللی است که شامل شراکت نزدیک با پروژه MAGIS در آزمایشگاه فرمیلب (Fermilab) و موسسات مرتبط در ایالات متحده میشود که همگی برای پیشبرد تداخلسنجهای اتمی در مقیاس بزرگ برای فیزیک بنیادی تلاش میکنند. یک پیشنهاد دیگر، آزمایش تداخلسنجی اتمی سرن (AICE) است که از تکنیکهای مشابه در مسافتهای بسیار طولانیتر استفاده میکند. در صورت تحقق، AICE مسیر جدیدی را برای سازمان CERN با بهکارگیری حسگرهای کوانتومی در فیزیک بنیادی در مقیاس بزرگ باز خواهد کرد. تاسیساتی از این دست میتوانند به برخی از بزرگترین آزمایشهای کوانتومی تبدیل شوند که تا کنون ساخته شدهاند.
دکتر ریچارد هابسون (Dr. Richard Hobson)، مدیر مشترک آزمایشگاه استرانسیوم فوق سرد در امپریال گفت: «ما برخی از دقیقترین ابزارهایی را که تا کنون ساخته شدهاند (ساعتهای اتمی و تداخلسنجهای اتمی) برداشتهایم و نشان دادهایم که میتوان آنها را برای باز کردن پنجرههایی کاملاً جدید رو به بخشهای نامرئی جهان تغییر کاربری داد. آزمایش فعلی ما فقط یک نمونه اولیه است، اما ارتقای آن به یک مرکز در مقیاس کامل در آزمایشگاههایی مانند CERN یا Fermilab به ما اجازه میدهد تا با برخی از عمیقترین اسرار فیزیک، از جمله ماهیت ماده تاریک روبرو شویم.»
محققان امپریال اکنون در حال برنامهریزی این سیستمها به عنوان بخشی از یک تلاش بینالمللی برای ایجاد نسل جدیدی از حسگرهای کوانتومی هستند. در آینده، چنین آشکارسازهایی میتوانند باندهای فرکانسی امواج گرانشی را مطالعه کنند که در حال حاضر غیرقابل دسترس هستند و به دنبال اشکال جدیدی از ماده بگردند و دریچهای را بسازند که قبلاً هرگز در جهان کاوش نشده است.
پروفسور الیور بوچمولر (Professor Oliver Buchmueller)، محقق اصلی همکاری AION در امپریال، افزود: «این کار گام مهمی به سوی حسگرهای کوانتومی مقیاس بزرگ آینده برای فیزیک بنیادی است. این دستاورد، در شرایط آزمایشگاهی واقعی، یک تکنیک کلیدی مرتبط با تاسیسات تداخلسنج اتمی نسل بعدی را نشان میدهد که در حال حاضر به صورت بینالمللی در حال توسعه هستند، از جمله پروژه MAGIS در فرمیلب و مرکز پیشنهادی AICE در سرن.»
رمان بازار