Kvantový senzor z Imperial College poprvé odstínil laserový šum a otevřel dveře k lovu na temnou hmotu

Princip je elegantní:

1. Dva prostorově oddělené oblaky atomů stroncia jsou snímány stejným laserovým pulsem pomocí jedno-fotonových přechodů na tzv. stronciových hodinových přechodech .
2. Dominantním zdrojem šumu je fázový šum laseru, který je mnohonásobně silnější než hledané signály z vesmíru. Tento šum je však pro oba interferometry společný, protože vychází z jednoho zdroje .
3. Experiment porovnává fázi naměřenou oběma interferometry. Společný šum se tak elegantně odečte. Skutečný signál – například procházející gravitační vlna nebo oscilující pole temné hmoty – ale v každém místě způsobí jiný fázový posuv, takže v rozdílovém měření zůstane a vynoří se z šumu .

Tento gradiometrický princip je základem všech plánovaných dlouhých atomových interferometrů, avšak až do tohoto experimentu nebyl nikdy ověřen v podmínkách, kde šum výrazně převyšuje užitečný signál .

Od stolního experimentu ke kilometrovému detektoru

Výsledek je součástí rozsáhlého britského projektu AION (Atom Interferometer Observatory and Network), který vede právě Imperial College a na kterém spolupracuje sedm britských institucí .

Projekt AION má čtyři ambiciózní fáze :

• AION-10: 10 metrů vysoký vertikální detektor, který se právě staví na Oxfordské univerzitě a měl by začít pracovat do 2–3 let . Tento přístroj bude prvním testovacím zařízením a zároveň plnohodnotným vědeckým nástrojem.
• AION-100: Stometrový detektor, který by se mohl stavět v podzemí ve Velké Británii (zvažují se lokality jako Boulby) nebo dokonce v CERNu . Pokud se podaří získat finance, mohl by sbírat data před rokem 2030 .
• AION-1000: Kilometrový podzemní detektor, který by dosáhl maximální citlivosti ve frekvenčním pásmu jednotek mHz až Hz. To je oblast, kterou současné detektory jako LIGO vůbec nepokrývají .
• Globální síť: Propojení několika detektorů, které umožní přesně určovat zdroje signálů na obloze.

Transatlantický lov na neviditelné

Plány britských vědců úzce souvisí s vývojem ve Spojených státech. V lednu 2024 podepsala americká laboratoř Fermilab mezinárodní dohodu s britskými institucemi (včetně Imperial College) o spolupráci na experimentu MAGIS-100 .

MAGIS-100 je 100metrový atomový interferometr, který vyrůstá přímo v šachtě areálu Fermilabu. Bude pátrat po ultra-lehké temné hmotě, testovat kvantovou superpozici na makroskopických vzdálenostech a sloužit jako technologický prototyp pro budoucí kilometrové detektory .

Obě spolupráce – AION i MAGIS – spolu sdílejí technologie, vědce i data. Do budoucna se počítá s tím, že by společně mohly fungovat jako první globální síť atomových interferometrů, schopná s nebývalou přesností naslouchat vesmíru. CERN navíc ve spolupráci s AION provádí průzkumné studie pro možné umístění vertikálního atomového interferometru .

Tento průlom z Imperial College tak není jen laboratorní zajímavostí. Je to první hmatatelný důkaz, že cesta k detekci signálů z nejtemnějších koutů vesmíru je správná a že obří kvantové uši, které ji mají zachytit, mohou skutečně fungovat.