英国帝国理工学院的科学家们在《自然》杂志上公布了一项突破性进展，他们开发出一种新型量子传感装置，并在实验中首次证实了长基线原子干涉仪的核心运作机制。该装置能够有效消除激光引入的噪声干扰，即使单次测量结果被噪声完全覆盖，也能够重新提取出微弱的目标信号。这一成就对于搜寻暗物质和引力波等重大科学难题具有重要意义，标志着在构建未来大型基础物理量子传感器方面迈出了关键一步。
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技术之一。其工作原理是通过激光操控原子团的分离与重合，进而精确测量原子运动过程中发生的极其细微的变化，以此捕捉隐藏的信号。
然而，这项技术面临一项严峻的挑战：用于控制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信号。若不进行修正，这些噪声会彻底遮蔽住目标信号。为了应对这一难题，科学家们提出一种差分测量方法，即通过比较两个由同一激光控制且位于不同位置的原子干涉仪，实现噪声的相互抵消。尽管这种方法是下一代探测器设计的基石，但此前从未在实际环境中得到验证。
为此，该研究团队在一个超冷锶实验室搭建了一套台式原型系统。该系统包含两团在空间上分离的超冷锶-87原子云以及一台高度稳定的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器可能遇到的复杂环境，研究人员有意向系统中引入了大量的额外噪声，导致每个独立的干涉仪都无法获得有效的测量信号。
实验结果表明，尽管每个干涉仪的单独输出数据看起来几乎完全随机，但通过比对两者的测量结果，研究团队成功恢复出了清晰的信号，并且测量精度达到了量子力学所允许的极限。进一步的实验证实，即使引入模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号，该系统在强噪声背景下仍能准确地识别出来，就像在分析一场激烈的足球世界杯比赛中的细微动作一样。
未来，这类装置有望拓展现有探测器无法触及的引力波频段，并搜寻新的暗物质形态，为我们理解宇宙提供全新的视角。（记者张佳欣）
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