Атомные интерферометры имеют значительно более высокую чувствительность по сравнению с оптическими, и используются для изучения свойств атомов и сил, воздействующих на них. Тем не менее, даже их точность имеет свои ограничения. Группа китайских ученых разработала новый вариант этого инструмента, который может саморегулироваться. Увеличенный в 1000 раз сигнал позволяет исследователям выявлять слабые взаимодействия между темной и барионной материей, темную энергию или гравитационные волны в новых диапазонах частот.
Атомные интерферометры, изобретенные в 1991 году, используют суперпозицию — феномен квантовой механики, который позволяет частицам находиться в нескольких состояниях одновременно. Атом в суперпозиции функционирует как волна, разделяемая на две лазерными импульсами. Эти волны расходятся в различных направлениях, а затем снова объединяются. Результирующий интерференционный рисунок позволяет измерить силы, действующие на атом.
«Атомные интерферометры превосходно измеряют даже самые малые колебания расстояний. Мы не можем точно оценить силу темной материи, поэтому наши инструменты должны быть максимально чувствительными. Поскольку темная материя пока не наблюдаема, мы предполагаем, что ее воздействие должно быть довольно слабым», — отметил Тимоти Ковачи из Северо-Западного университета, руководитель научной группы.
Тем не менее, такие крохотные волны очень чувствительны к помехам, которые могут нарушить интерференционную картину. Один фотон способен изменить направление атома, сдвинув его на сантиметр в секунду. Если это всего лишь один атом, это не критично, однако из-за повторяющихся лазерных импульсов ошибки в расчетах быстро накапливаются.
Команда Ковачи предложила решение, заключающееся в методичном планировании лазерных импульсов. Самокоррекция импульсов осуществляется с помощью машинного обучения. И хотя отдельные эмпульсы все еще подвержены помехам, оптимизация всей последовательности позволяет нивелировать их недостатки.
После оценки виртуальной модели ученые собрали экспериментальный атомный интерферометр и подтвердили, что он усиливает сигнал в 1000 раз. Производительность устройства без оптимального контроля увеличилась в 50 раз.
«Учитывая распространенность спонтанной эмиссии в квантовых системах, эти результаты могут быть ценными для улучшения производительности различных квантовых датчиков, — говорится в статье. — Мы уверены, что наше открытие существенно повысит эффективность интерферометров для различных задач, включая поиски темной материи, темной энергии и обнаружение гравитационных волн».
Концепция темной энергии была предложена 26 лет назад, и с тех пор ученые пытаются найти источник этой загадочной силы, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Физики из США расширили диапазон поисков, разработав самый точный на сегодняшний день эксперимент, который должен выявить даже самые незначительные отклонения от принятой теории гравитации.