Улучшенный атомный интерферометр.
Атомные интерферометры, которые обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению со световыми, представляют собой инструменты, используемые для измерения свойств атомов и сил, действующих на них. Однако даже эти высокоточные устройства не лишены недостатков.
Группа китайских и американских учёных разработала новый, самокорректирующийся вариант атомного интерферометра, который может усиливать сигнал в тысячи раз. Это открывает перед исследователями новые горизонты в поиске слабых взаимодействий между тёмной и барионной материей, тёмной энергии и гравитационных волн в ранее недоступных частотных диапазонах.
Изобретенные в 1991 году атомные интерферометры используют суперпозицию — феномен квантовой механики, позволяющий частице находиться в двух и более состояниях одновременно. Атом в суперпозиции ведет себя как волна, которая делится на две части под воздействием лазерных импульсов. Эти волны расходятся в разные стороны, а затем снова объединяются, создавая картину, позволяющую измерить силы, действующие на атом.
Атомные интерферометры превосходно измеряют малейшие колебания в расстояниях. Мы не знаем, насколько сильна темная материя, поэтому наши инструменты должны быть максимально чувствительными. Поскольку мы еще не видели темную материю, мы понимаем, что ее воздействие должно быть довольно слабым, — отметил Тимоти Ковачи, глава научной группы из Северо-Западного университета.
Однако столь крошечные волны очень уязвимы к помехам, которые могут нарушать интерференционную картину. Один фотон способен изменить направление движения атома, сдвигая его на сантиметр в секунду. Если это касается всего лишь одного атома, то это не так страшно, но при повторных лазерных импульсах ошибки в вычислениях быстро накапливаются.
Решение, предложенное командой Ковачи, заключается в методичном планировании лазерных импульсов. Самокоррекция импульсов осуществляется с помощью машинного обучения. И хотя отдельные импульсы все еще не полностью защищены от помех, за счет оптимизации всей последовательности их несовершенство может быть сведено к минимуму.
После оценки виртуальной модели ученые собрали экспериментальный атомный интерферометр и подтвердили, что он усиливает сигнал в 1000 раз. Производительность прибора без оптимального управления увеличилась в 50 раз.
Учитывая распространенность спонтанной эмиссии в квантовых системах, эти результаты могут оказаться ценными для улучшения производительности различных квантовых датчиков, — говорится в статье. — Мы считаем, что наше открытие существенно повысит производительность интерферометров для различных задач, включая поиски темной материи, темной энергии и обнаружения гравитационных волн.
Идея темной энергии была выдвинута 26 лет назад, и с тех пор учёные пытаются найти источник этой загадочной силы, которая способствует непрерывному расширению Вселенной. Группа американских физиков решила расширить горизонты исследований, разработав самый точный эксперимент на сегодняшний день. Цель эксперимента — обнаружить даже малейшие отклонения от общепринятой теории гравитации.
