Imperial College gennembryder støjmuren: Nyt kvantesensorprincip baner vej for jagten på mørkt stof og gravitationsbølger

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.