量子传感器新突破：克服搜寻暗物质与引力波过程中的重大障碍
2026-06-19 16:51:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，英国帝国理工学院开发出一种量子传感器原型，首次证明了下一代量子探测技术背后的关键原理能够在实际条件下有效运行。该研究展示了如何通过比较两台长基线原子干涉仪（一种利用激光精确测量原子行为的仪器）来有效抵消实验噪声。相关论文以“A prototype differential atom interferometer for fundamental physics”为题，发表于Nature期刊。

这篇论文中的方法使得研究人员即使在单次测量结果被噪声淹没的情况下，仍然能够成功恢复目标信号，从而为探测来自早期宇宙的引力波以及寻找奇异暗物质的信号开辟了新途径。

这项研究工作是“原子干涉仪天文台和网络（AION）”合作项目的一部分。AION项目由帝国理工学院牵头，汇集了英国各地的研究人员，致力于开发下一代量子传感技术。

AION干涉仪的概念设计

消除量子测量中的噪声

理解宇宙的组成以及发现新的引力波来源，仍然是现代物理学面临的重大挑战。这两类问题都需要测量极微弱的信号，而这些信号极易被背景噪声淹没。寻找可靠的探测方法，对于探索当前实验手段无法触及的宇宙区域至关重要。

长基线原子干涉仪（Long-Baseline Atom Interferometers）正逐渐成为实现这一目标最有前景的工具之一。其工作原理是利用激光将原子云分裂成不同的量子态路径，随后再将其重新合并，通过分析干涉效应，可以以极高精度测量原子运动中极其微小的变化。

长基线原子干涉仪实验图

这类实验的核心原理是：比较位于不同位置的两团原子云的行为，而这两团原子云均由同一束激光进行操控和测量。如果两者之间出现差异，则可能意味着探测到了此前隐藏的物理信号，例如暗物质场或引力波的存在。

然而，这项量子传感技术面临着一项重大挑战。用于控制实验的激光会产生相位噪声，其强度远超研究人员试图测量的信号。如果不加以校正，这种噪声将完全淹没目标信号。

为了克服这一难题，研究人员提出了一种差分测量方案，即通过比较两个干涉仪，使共同噪声相互抵消。该方法构成了下一代量子传感器设计方案的基础，但此前尚未在实际工况下得到验证。

在谈及这一进展的意义时，帝国理工学院超冷锶原子实验室联合负责人Charles Baynham博士表示：“长期以来，我们一直知道量子传感器有望帮助人类更深入地理解宇宙，但直到最近，相关技术才发展到能够构建具备所需分辨率的量子传感器。”

Charles Baynham进一步表示：“我为我们团队能将这种量子传感器变为现实而深感自豪——我迫不及待地盼望着那一天的到来：那时，来自原子的信号将向我们揭示数百万年前发生的黑洞合并事件。”

验证差分原子干涉仪

在这项新研究中，研究人员着手通过实验验证该差分原子干涉仪。在帝国理工学院超冷锶实验室里，他们搭建了一个桌面级原型装置，其中包含两团在宏观空间上相互分离的超冷锶-87原子云，并利用同一台超稳时钟激光器对它们进行探测。

这一实验装置旨在模拟未来大型长基线量子传感实验中的工作环境。在这些更大规模的系统中，噪声控制将变得更加困难和关键。

为了测试差分原子干涉仪的极限性能，研究团队特意向系统中引入了大量的额外相位噪声——其强度远超时钟激光器自然产生的噪声水平——以此模拟长基线传感器中预期的环境条件。

若单独观察，每个干涉仪都无法正常工作，因为其信号已被噪声淹没；原本用于进行测量的干涉图样也已完全消失。

然而，当对两个干涉仪的数据进行比对时，研究人员仍能提取出清晰的信号。尽管单次测量结果看似随机，但两者之间的相关性揭示了系统的内在特性。这种联合测量方式达到了量子物理所规定的基本极限，证明了激光噪声消除机制能够按预期发挥作用。

随后，研究人员更进一步，向系统中引入了一个额外的振荡信号，以此模拟引力波或暗物质场可能产生的效应。即便在单个干涉仪都无法提供有效信息的条件下，该信号依然能够被系统清晰地检测出来。

迈向下一代量子传感器

这项研究成果为长基线原子干涉仪的一项关键原理提供了首次实验验证，有助于解决其设计中的一个核心难题。在AION项目框架下，研究人员正在开发必要的技术，以便将量子传感系统扩展为能够探测宇宙未知区域的实验装置。

AION也是一项更广泛国际计划的组成部分，该计划包括与费米实验室（Fermilab）及其相关美国机构的MAGIS项目建立密切合作关系，共同推动用于基础物理研究的大型原子干涉仪的发展。

帝国理工学院超冷锶实验室Richard Hobson博士表示：“我们利用了人类制造出的最精密仪器——原子钟和原子干涉仪——将它们结合起来并证明其能够被重新用于探索宇宙中那些原本不可见的领域，从而为认识宇宙打开全新的窗口。我们目前的实验只是一个原型，但若能将其扩展为像费米实验室那样的大型设施，我们将能够探索物理学中最深奥的谜题，包括暗物质的本质。”

作为构建新一代量子传感器国际合作项目的一部分，帝国理工学院的研究人员目前正在制定相关量子传感系统的开发计划。未来，这些量子传感器有望探索此前无法观测的引力波频段并搜寻新型物质，从而开启一扇探索宇宙的全新窗口。

帝国理工学院AION项目首席研究员Oliver Buchmueller教授补充道：“这项工作标志着面向基础物理研究的大规模量子传感器发展道路上的一个重要里程碑。我们在接近实际应用的实验条件下验证了一项关键技术，而这项技术对于当前国际上正在规划和建设的下一代原子干涉仪设施具有重要意义。”

AION项目由帝国理工学院牵头，成员包括来自伯明翰大学、剑桥大学、利物浦大学、伦敦国王学院和牛津大学的研究人员，以及科学与技术设施委员会（STFC）卢瑟福·阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory）的科研人员。

延伸阅读：

《量子传感器技术及市场-2026版》