英国科学家攻克量子传感器噪声难题，有助于探索暗物质与早期宇宙引力波

IT之家 6 月 20 日消息，据新华社今日报道，英国帝国理工学院牵头的一支科研团队首次在接近实际应用的实验条件下验证了一项新型量子传感技术，通过比较两台原子干涉仪的测量结果，有效消除了激光带来的背景噪声，即使单次测量信号被噪声淹没，系统仍能恢复出真实信号。这项成果为未来建设大规模量子传感器奠定了技术基础，为捕捉极早期宇宙的引力波信号和难以探测的暗物质踪迹铺平了道路。▲ 在将原子冷却至接近绝对零度之前，对蓝色激光的偏振进行调整该研究属于英国原子干涉仪观测站与网络（AION）计划的一部分，由英国帝国理工学院牵头，联合伯明翰大学、剑桥大学、利物浦国王学院、牛津大学以及英国科学技术设施委员会卢瑟福 · 阿普尔顿实验室的学者共同完成，其成果被视作长基线原子干涉仪从理论设想走向实际建造的关键一步。据研究人员介绍，现代物理学仍面临诸多尚未解决的问题，例如暗物质究竟由什么组成、宇宙中是否存在新的引力波来源等，而这些研究都需要探测极其微弱的物理信号。原子干涉仪利用激光操控原子云，并通过原子物质波之间的干涉现象实现高精度测量，是目前最具潜力的量子探测技术之一。然而，这类实验依赖激光脉冲完成测量，而激光本身产生的相位噪声远大于目标信号，往往会掩盖真正需要观测的数据，成为限制相关技术发展的主要障碍。▲ 帝国理工学院实验室用于冷却原子和操控其量子态的激光系统之一为解决这一问题，研究团队提出并验证了差分测量方案。他们在实验室搭建了一套原型装置，将两团处于不同位置的超冷锶-87 原子作为两个原子干涉仪，并使用同一台超稳定时钟激光进行测量。由于两台干涉仪受到相同激光噪声影响，对比两者测量结果后，共同噪声可以相互抵消，从而恢复真实信号。▲ 各种引力波探测器（包括运行中的和计划中的）探测到的黑洞合并的参数空间实验过程中，研究人员还刻意向激光系统中加入远高于正常水平的额外噪声，模拟未来远距离大型探测装置可能面临的复杂环境。结果显示，单独观察任意一台干涉仪时，信号几乎完全被噪声覆盖，已无法获得有效数据；但将两台设备的测量结果进行联合分析后，系统仍能够恢复出清晰信号，其测量精度达到量子物理允许的理论极限。▲ 探测器对引力波的灵敏度示意图在进一步实验中，研究团队向系统加入了模拟宇宙早期引力波或暗物质场可能产生的振荡信号。测试结果表明，即使在单台设备无法识别有效信息的情况下，联合测量依然能够准确探测到这些模拟信号。这也是该技术首次在真实实验环境中验证了长基线原子干涉仪噪声消除方案的可行性，为下一代量子探测设备的发展提供了关键实验依据。▲ 实验步骤概述研究团队表示，宇宙大爆炸发生后不足 10 亿年便已出现超大质量黑洞，而现有恒星和星系形成理论尚无法充分解释其形成过程。一些理论认为，这些黑洞可能来源于宇宙早期中等质量黑洞不断合并，也可能与暗物质存在关联。未来，如果能够利用大规模量子传感器持续探测相关引力波和暗物质信号，将有助于研究宇宙早期演化过程，并进一步揭示暗物质的本质。▲ 差分相位测量中激光噪声抑制测试目前，AION 计划正持续推进相关技术研发，并与美国费米国家加速器实验室的 MAGIS 项目以及欧洲核子研究中心拟议中的 AICE 项目开展合作，推动长基线原子干涉仪向更大规模发展。这类传感器一旦被拓展至数百米甚至公里级的基线上，将具备探测现有设备无法覆盖的引力波频段的潜力，并且有可能“看见”宇宙大爆炸后不到十亿年就已出现的超大质量黑洞所留下的演化痕迹。传统理论难以圆满解释这些黑洞何以在宇宙襁褓期快速形成，一些猜想认为它们可能源自中等质量黑洞的并合，或与某种尚未被认识的暗物质行为相关。通过捕捉极早期引力波和暗物质场在原子干涉仪上留下的细小扰动，科学家或可找到解开这一谜团的钥匙。相关成果已于 6 月 17 日发表在《自然》上，IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10617-1