英国帝国理工学院的研究人员在《自然》期刊上发表了一项突破性进展，他们成功研制出一种创新的量子传感设备，并首次在实验中证实了长基线原子干涉仪的核心运作模式。该设备具备卓越的抗干扰能力，能够有效抑制激光产生的噪声，即使在单次测量被噪声完全遮蔽的情况下，仍能准确捕捉到微弱的信号。这项成就对于搜寻暗物质和探测引力波等关键科学难题具有重要意义，标志着向开发下一代大型基础物理量子传感器迈出了关键一步。
长基线原子干涉仪被视为探索早期宇宙引力波和搜寻暗物质的极具潜力的技术工具。其工作原理是通过激光将原子束分裂，然后重新合并，并通过精确测量原子在运动过程中发生的极其细微的变化来检测隐藏的信号。
然而，该技术面临一个严峻的挑战：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期望测量的信号。如果不对这些噪声进行处理，它们将完全遮蔽住目标信号。为了克服这一障碍，科学家们设想了一种方法，即通过比对两个由同一激光操控、但位于不同位置的原子干涉仪的测量结果，以期相互抵消共同的噪声。这种差分测量策略构成了未来探测器设计的基石，但此前从未在实际操作中得到验证。
为实现这一目标，研究团队在一个超冷锶实验室中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，以及一台高稳定性的时钟激光器。为了模拟未来长基线探测器可能面临的复杂环境，他们有意向系统中引入了大量的附加噪声，导致两个独立的干涉仪在单独测量时都无法获得有效的信号。
实验结果显示，尽管单个干涉仪的输出几乎完全呈现随机状态，但通过比对两者的测量数据，研究人员成功地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理论极限。进一步的实验证明，即使在加入模拟引力波或暗物质场产生的振荡信号的强噪声条件下，该系统也能够精确地识别出这些信号。
未来，这类装置有望拓展现有探测器所能覆盖的引力波频段，并有助于寻找新型暗物质形态，从而为我们理解宇宙提供新的视角。（记者张佳欣）
