Denne demonstration validerer selve kernen i de støjdæmpningsmekanismer, som store, fremtidige kvantedetektorer afhænger af. Uden denne teknik ville det være som at lede efter et stearinlys i en orkan.

Sådan fungerer den differentielle teknik

Prototypen er i bund og grund en ekstremt følsom atomgradiometer. Den benytter to adskilte skyer af ultrakolde strontium-87 (⁸⁷Sr) atomer, som svæver i et vakuum og belyses af den samme laserpuls . Her er processen trin for trin:

1. To skyer, én laser: De to skyer af atomer placeres med en vis afstand. En enkelt, ultrastabil "ur-laser" sender en puls, der vekselvirker med begge skyer samtidigt via en bestemt overgang i strontium-atomet, den såkaldte "ur-overgang" .
2. Fælles fjende: Den største støjkilde er små, tilfældige udsving i laserens fase (laserfasestøj). Denne støj er mange, mange gange kraftigere end de signaler, man leder efter. Men fordi den samme laser bruges til begge atomskyer, er støjen identisk (common mode) i begge signaler .
3. Støjen ud, signalet ind: Forsøget måler faseforskellen mellem de to interferometre. Den fælles støj ophæver sig selv i denne differensmåling, mens et ægte fysisk signal – som en forbipasserende gravitationsbølge, der strækker rummet en anelse forskelligt ved de to positioner, eller et oscillerende felt af mørkt stof – vil skabe en ulige faseændring og dermed overleve i målingen .

Denne opsætning, kendt som en gradiometer-konfiguration, er den fundamentale plan for alle fremtidige lang-baseline atominterferometre, men var aldrig blevet eksperimentelt bevist under realistiske støjforhold – indtil nu .

Fra laboratorie til kilometer-skala: Planerne for opskalering

Imperial College leder Atom Interferometer Observatory and Network (AION)-samarbejdet, der tæller syv britiske partnerinstitutioner . AION er et ambitiøst, trinvist program, der skal føre teknologien fra laboratoriet ud i den virkelige verden :

• Fase 1 — AION-10: En 10 meter høj, vertikal detektor er under opbygning i Beecroft-bygningen på University of Oxford. Den forventes at være operationel inden for 2-3 år og vil fungere som et testanlæg for teknologien .
• Fase 2 — AION-100: En 100 meter lang detektor. Velegnede underjordiske placeringer i Storbritannien, som f.eks. Boulby-minen, undersøges nu. Hvis finansieringen falder på plads, kan datatagningen begynde inden 2030 .
• Fase 3 — AION-1000: En 1 kilometer lang underjordisk detektor. Denne vil have sin højeste følsomhed i frekvensområdet fra få millihertz til få hertz – et uudforsket område, der ligger gemt mellem LIGOs og den fremtidige rum-baserede LISA-detektors observationsvinduer .
• Fase 4 — Netværk: Ved at forbinde flere AION-detektorer i et globalt netværk kan man ikke bare opdage, men også lokalisere kilderne til gravitationsbølger.

Internationale partnerskaber: Fermilab og CERN

AION er en del af et større, internationalt kapløb. I januar 2024 indgik britiske institutioner, herunder Imperial, en formel aftale med det amerikanske Fermilab om at samarbejde på MAGIS-100 . MAGIS-100 er en 100 meter høj atominterferometer, der er under konstruktion i en lodret skakt på Fermilab. Dette "transatlantiske netværk" vil dele teknologi og data, og de to detektorer kan køre i tandem for at opnå endnu større sikkerhed i målingerne .

Udforskende studier støttet af CERNs Physics Beyond Colliders-gruppe har også vurderet muligheden for at bygge en ca. 100 meter vertikal atominterferometer ved CERNs infrastruktur, specifikt i adgangsskakten PX46 til LHC-tunnelen . Et samarbejde mellem AION og CERN kunne føre til en europæisk pendant, der skaber et globalt netværk af kvantesensorer til at observere universets mest skjulte fænomener .

Kvantespringet fra Imperial College er ikke bare en teknologisk triumf; det er billetten til et helt nyt observationsvindue mod kosmos, der kan afsløre alt fra de første øjeblikke efter Big Bang til mysteriet om det mørke stof, der former galakserne.

Denne demonstration validerer selve kernen i de støjdæmpningsmekanismer, som store, fremtidige kvantedetektorer afhænger af. Uden denne teknik ville det være som at lede efter et stearinlys i en orkan.

Sådan fungerer den differentielle teknik

Prototypen er i bund og grund en ekstremt følsom atomgradiometer. Den benytter to adskilte skyer af ultrakolde strontium-87 (⁸⁷Sr) atomer, som svæver i et vakuum og belyses af den samme laserpuls . Her er processen trin for trin:

1. To skyer, én laser: De to skyer af atomer placeres med en vis afstand. En enkelt, ultrastabil "ur-laser" sender en puls, der vekselvirker med begge skyer samtidigt via en bestemt overgang i strontium-atomet, den såkaldte "ur-overgang" .
2. Fælles fjende: Den største støjkilde er små, tilfældige udsving i laserens fase (laserfasestøj). Denne støj er mange, mange gange kraftigere end de signaler, man leder efter. Men fordi den samme laser bruges til begge atomskyer, er støjen identisk (common mode) i begge signaler .
3. Støjen ud, signalet ind: Forsøget måler faseforskellen mellem de to interferometre. Den fælles støj ophæver sig selv i denne differensmåling, mens et ægte fysisk signal – som en forbipasserende gravitationsbølge, der strækker rummet en anelse forskelligt ved de to positioner, eller et oscillerende felt af mørkt stof – vil skabe en ulige faseændring og dermed overleve i målingen .

Denne opsætning, kendt som en gradiometer-konfiguration, er den fundamentale plan for alle fremtidige lang-baseline atominterferometre, men var aldrig blevet eksperimentelt bevist under realistiske støjforhold – indtil nu .

Fra laboratorie til kilometer-skala: Planerne for opskalering

Imperial College leder Atom Interferometer Observatory and Network (AION)-samarbejdet, der tæller syv britiske partnerinstitutioner . AION er et ambitiøst, trinvist program, der skal føre teknologien fra laboratoriet ud i den virkelige verden :

• Fase 1 — AION-10: En 10 meter høj, vertikal detektor er under opbygning i Beecroft-bygningen på University of Oxford. Den forventes at være operationel inden for 2-3 år og vil fungere som et testanlæg for teknologien .
• Fase 2 — AION-100: En 100 meter lang detektor. Velegnede underjordiske placeringer i Storbritannien, som f.eks. Boulby-minen, undersøges nu. Hvis finansieringen falder på plads, kan datatagningen begynde inden 2030 .
• Fase 3 — AION-1000: En 1 kilometer lang underjordisk detektor. Denne vil have sin højeste følsomhed i frekvensområdet fra få millihertz til få hertz – et uudforsket område, der ligger gemt mellem LIGOs og den fremtidige rum-baserede LISA-detektors observationsvinduer .
• Fase 4 — Netværk: Ved at forbinde flere AION-detektorer i et globalt netværk kan man ikke bare opdage, men også lokalisere kilderne til gravitationsbølger.

Internationale partnerskaber: Fermilab og CERN

AION er en del af et større, internationalt kapløb. I januar 2024 indgik britiske institutioner, herunder Imperial, en formel aftale med det amerikanske Fermilab om at samarbejde på MAGIS-100 . MAGIS-100 er en 100 meter høj atominterferometer, der er under konstruktion i en lodret skakt på Fermilab. Dette "transatlantiske netværk" vil dele teknologi og data, og de to detektorer kan køre i tandem for at opnå endnu større sikkerhed i målingerne .

Udforskende studier støttet af CERNs Physics Beyond Colliders-gruppe har også vurderet muligheden for at bygge en ca. 100 meter vertikal atominterferometer ved CERNs infrastruktur, specifikt i adgangsskakten PX46 til LHC-tunnelen . Et samarbejde mellem AION og CERN kunne føre til en europæisk pendant, der skaber et globalt netværk af kvantesensorer til at observere universets mest skjulte fænomener .

Kvantespringet fra Imperial College er ikke bare en teknologisk triumf; det er billetten til et helt nyt observationsvindue mod kosmos, der kan afsløre alt fra de første øjeblikke efter Big Bang til mysteriet om det mørke stof, der former galakserne.