डार्क मैटर और गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज: इंपीरियल कॉलेज के नए क्वांटम सेंसर ने लेज़र शोर को मात देकर कैसे रचा इतिहास

हालिया ऐतिहासिक उपलब्धि

17 जून 2026 को, इंपीरियल कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं ने पहली बार यह प्रदर्शित किया कि एक डिफरेंशियल एटम इंटरफेरोमीटर वास्तविक परिस्थितियों में लेज़र फेज़ शोर को रद्द कर सकता है — यह अगली पीढ़ी के क्वांटम सेंसरों के लिए एक महत्वपूर्ण सिद्धांत का सबूत (proof-of-principle) है ।

प्रतिष्ठित जर्नल नेचर में प्रकाशित इस कार्य ने दिखाया कि जब जानबूझकर इतना अधिक शोर डाला गया कि हर अकेला इंटरफेरोमीटर पूरी तरह से बेकार हो गया, तब भी दो अलग-अलग इंटरफेरोमीटरों के आउटपुट की आपस में तुलना करके, मूल क्वांटम सीमा (Standard Quantum Limit) पर एक शुद्ध सिग्नल प्राप्त किया जा सका ।

यह सफलता उस मुख्य शोर-निरस्तीकरण तंत्र को मान्य करती है जिस पर डार्क मैटर और गुरुत्व तरंगों (ग्रैविटेशनल वेव्स) की खोज के लिए बनने वाले बड़े पैमाने के क्वांटम डिटेक्टर निर्भर करते हैं।

कैसे काम करती है यह 'डिफरेंशियल' तकनीक?

यह प्रोटोटाइप एक एटम ग्रेडियोमीटर की तरह काम करता है, जो एक अकेली अति-स्थिर 'क्लॉक लेज़र' से जांचे गए अत्यधिक ठंडे स्ट्रॉन्शियम-87 (⁸⁷Sr) परमाणुओं का उपयोग करता है ।

• दो अलग-अलग स्थानों पर अत्यंत ठंडे ⁸⁷Sr परमाणुओं के बादलों को पकड़कर रखा जाता है और उनकी जांच एक ही लेज़र पल्स से की जाती है। यह जांच स्ट्रॉन्शियम क्लॉक ट्रांज़िशन पर एकल-फोटॉन परमाणु संक्रमण (single-photon atomic transitions) के माध्यम से होती है ।
• लेज़र फेज़ शोर यहाँ सबसे बड़ा बाधक शोर स्रोत है — यह डार्क मैटर या गुरुत्व तरंगों से मिलने वाले अति सूक्ष्म संकेतों से कहीं अधिक बड़ा होता है। लेकिन चूँकि दोनों इंटरफेरोमीटर एक ही लेज़र का उपयोग करते हैं, इसलिए यह शोर दोनों के लिए समान (कॉमन) होता है ।
• प्रयोग दोनों इंटरफेरोमीटरों द्वारा मापे गए चरण (phase) की तुलना करता है, जो कि एक 'डिफरेंशियल माप' है। इस तुलना में, साझा शोर खुद-ब-खुद रद्द हो जाता है, जबकि एक वास्तविक सिग्नल — जैसे कि गुज़रती हुई गुरुत्व तरंग या दोलन करता डार्क मैटर क्षेत्र — हर स्थान पर एक अलग चरण बदलाव उत्पन्न करता है और यह सह-संबंध (कोरिलेशन) में बच जाता है ।
• टीम ने जानबूझकर एक क्लॉक लेज़र से प्राकृतिक रूप से उत्पन्न होने वाले शोर से कहीं अधिक फेज़ शोर डाला, ताकि लंबी-आधार रेखा (लॉन्ग-बेसलाइन) की वास्तविक स्थितियों का अनुकरण किया जा सके। हर अकेला इंटरफेरोमीटर इस्तेमाल करने लायक नहीं रहा, लेकिन उनके बीच के सह-संबंध ने फिर भी अंदर मौजूद संकेत को उजागर कर दिया ।

यह ग्रेडियोमीटर विन्यास (कॉन्फ़िगरेशन) ही सभी लंबी-आधार रेखा वाले एटम इंटरफेरोमीटरों के लिए प्रस्तावित बुनियाद है, लेकिन इस परिणाम से पहले तक वास्तविक शोर की परिस्थितियों में इसे प्रयोगात्मक रूप से कभी मान्य नहीं किया गया था ।

स्केलिंग योजनाएं: AION, फर्मीलैब, और सर्न (CERN)

यह कार्य एटम इंटरफेरोमीटर ऑब्ज़र्वेटरी एंड नेटवर्क (AION) सहयोग का एक हिस्सा है, जिसका नेतृत्व इंपीरियल कॉलेज लंदन कर रहा है और जिसमें ब्रिटेन की सात साझेदार संस्थाएं शामिल हैं ।

AION एक 4-चरणीय कार्यक्रम है :

• चरण 1 — AION-10: इस समय ऑक्सफ़ोर्ड विश्वविद्यालय (बीक्रॉफ़्ट भवन) में 10-मीटर लंबी ऊर्ध्वाधर वैक्यूम ट्यूब वाला एटम इंटरफेरोमीटर निर्माणाधीन है, जिसके 2-3 वर्षों में चालू होने की योजना है ।
• चरण 2 — AION-100: 100-मीटर बेसलाइन वाला एक डिटेक्टर। इसके लिए ब्रिटेन में भूमिगत उपयुक्त स्थानों का सर्वेक्षण किया जा रहा है । यदि फंडिंग सुनिश्चित होती है, तो 2030 से पहले डेटा लेना शुरू करने की योजना है ।
• चरण 3 — AION-1000: 1-किलोमीटर लंबा एक भूमिगत डिटेक्टर, जो कुछ मिली-हर्ट्ज़ (mHz) से लेकर कुछ हर्ट्ज़ (Hz) की फ्रीक्वेंसी बैंड में सर्वोच्च संवेदनशीलता प्रदान करेगा — यह एक ऐसा क्षेत्र है जो LIGO और अन्य मौजूदा डिटेक्टरों की पहुँच से बाहर है ।
• चरण 4 — नेटवर्क: स्रोत का स्थानीयकरण करने के लिए कई डिटेक्टरों को एक वैश्विक नेटवर्क में जोड़ना।

अंतर्राष्ट्रीय साझेदारियाँ:

• फर्मीलैब / MAGIS-100: जनवरी 2024 में, फर्मीलैब ने ब्रिटेन के संस्थानों (इंपीरियल सहित) के साथ MAGIS-100 पर सहयोग करने के लिए एक अंतर्राष्ट्रीय समझौता किया। यह फर्मीलैब में 100-मीटर का एटम इंटरफेरोमीटर है । MAGIS-100 अत्यंत-हल्के डार्क मैटर की खोज करेगा, वृहद पैमाने पर क्वांटम सुपरपोज़िशन का परीक्षण करेगा, और AION के साथ सीधे तकनीक और डेटा साझा करेगा ।
• सर्न (CERN): 'फिज़िक्स बियॉन्ड कोलाइडर्स' (PBC) अध्ययन समूह द्वारा समर्थित खोजपूर्ण अध्ययनों ने एक ~100-मीटर ऊर्ध्वाधर एटम इंटरफेरोमीटर की मेज़बानी के लिए सर्न के बुनियादी ढांचे की उपयुक्तता का आकलन किया है । AION और सर्न संभावित सह-स्थान और प्रौद्योगिकी विकास में तालमेल की जांच कर रहे हैं ।