Un prototip de sensor quàntic desenvolupat per investigadors de la col·laboració AION ha demostrat, per primera vegada, que un principi clau en què es basen els detectors quàntics de nova generació pot funcionar en condicions realistes.

L’estudi mostra com la comparació de dos interferòmetres atòmics de llarga línia de base, instruments que utilitzen làsers per mesurar amb gran precisió el comportament dels àtoms, permet cancel·lar de manera efectiva el soroll experimental.

Això permet recuperar senyals fins i tot quan les mesures individuals estan completament dominades pel soroll i obre la porta a la recerca d’ones gravitacionals procedents de l’Univers primitiu i de senyals associats a formes exòtiques de matèria fosca.

Aquest treball forma part de la col·laboració Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderada per l’Imperial College London, AION reuneix investigadors d’institucions de tot el Regne Unit per desenvolupar tecnologies de detecció quàntica de nova generació.

Aquesta recerca ha estat publicada a Nature .

Cancel·lant el soroll en les mesures quàntiques

Comprendre de què està fet l’Univers i identificar noves fonts d’ones gravitacionals continuen sent alguns dels grans reptes de la física moderna.

Tots dos problemes requereixen mesurar senyals extremadament petites que es poden perdre fàcilment dins del soroll de fons. Trobar mètodes fiables per detectar-les és essencial per explorar regions de l’Univers que els experiments actuals encara no poden estudiar.

Els interferòmetres atòmics de llarga línia de base emergeixen com una de les eines més prometedores per aconseguir-ho. Funcionen utilitzant làsers per dividir núvols d’àtoms i tornar-los a recombinar posteriorment, cosa que permet mesurar amb una precisió extraordinària petites variacions en el seu moviment.

Aquests experiments es basen en comparar el comportament de dos núvols d’àtoms situats en ubicacions diferents i interrogats pel mateix làser. Qualsevol diferència entre tots dos podria revelar senyals fins ara ocultes, com ara la presència d’un camp de matèria fosca.

Tanmateix, la tècnica afronta un repte important. El làser utilitzat per controlar l’experiment produeix un soroll de fase molt superior als senyals que els investigadors intenten mesurar. Si no es corregeix, aquest soroll emmascara completament aquests efectes.

Per superar aquest problema, els científics van proposar un enfocament diferencial, comparant dos interferòmetres perquè el soroll compartit es cancel·li. Aquest mètode constitueix la base dels futurs detectors de nova generació, però fins ara no s’havia demostrat en condicions realistes.

«L’ús d’interferòmetres atòmics per buscar matèria fosca i ones gravitacionals pot revolucionar la nostra comprensió de l’Univers», afirma Diego Blas, investigador ICREA a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i membre de la col·laboració AION. «Aquest treball representa una fita en el nivell de control que els nostres col·legues experimentals poden assolir en aquests sistemes i obre el camí per desplegar aquest programa durant els pròxims anys. Són temps realment apassionants.»

Posant a prova el mètode

En el nou estudi, els investigadors es van proposar comprovar experimentalment aquest principi.

Al Laboratori d’Estronci Ultrafred de l’Imperial College van construir un prototip de sobretaula amb dos núvols macroscòpicament separats d’estronci-87 ultrafred, interrogats mitjançant un únic làser rellotge ultraestable.

El muntatge es va dissenyar per reproduir les condicions previstes en futurs experiments molt més grans, on el control del soroll esdevé cada vegada més difícil.

Per portar el mètode al límit, l’equip va introduir deliberadament grans quantitats de soroll de fase addicional al sistema, molt superior al que produeixen de manera natural els làsers rellotge, amb l’objectiu de simular les condicions esperades en detectors de llarga línia de base.

Individualment, cada interferòmetre va deixar de ser útil, ja que el seu senyal quedava ocult pel soroll. Els patrons d’interferència que normalment permeten efectuar mesures van desaparèixer pràcticament.

Tanmateix, en comparar els dos interferòmetres, es va poder recuperar un senyal clar. Tot i que cada mesura individual semblava aleatòria, la correlació entre totes dues revelava el comportament subjacent del sistema. La mesura combinada opera en el límit fonamental imposat per la física quàntica, demostrant que la cancel·lació del soroll làser funciona tal com es requereix.

Els científics van anar un pas més enllà i van introduir un senyal oscil·lant addicional al sistema, similar a la que podria produir una ona gravitacional o un camp de matèria fosca. Aquest senyal continuava sent clarament detectable fins i tot en condicions en què cap dels dos interferòmetres contenia informació útil per separat.

Cap als detectors de nova generació

Els resultats proporcionen la primera validació experimental d’un principi clau en què es basen els interferòmetres atòmics de llarga línia de base, ajudant a resoldre un dels principals reptes del seu disseny.

Dins del programa AION, els investigadors estan desenvolupant les tecnologies necessàries per ampliar aquests sistemes i convertir-los en experiments capaços d’explorar noves regions de l’Univers.

AION també forma part d’un programa internacional més ampli que inclou col·laboracions estretes amb el projecte MAGIS a Fermilab i altres institucions nord-americanes associades, amb l’objectiu d’impulsar el desenvolupament d’interferòmetres atòmics de gran escala per a la física fonamental.

Entre aquestes iniciatives hi ha propostes com l’Atom Interferometry CERN Experiment (AICE), que aplicaria tècniques similars a distàncies molt més grans. Si arriba a materialitzar-se, AICE representaria una nova direcció per al CERN, aplicant sensors quàntics a la física fonamental a gran escala. Aquestes instal·lacions podrien situar-se entre els experiments quàntics més grans mai construïts.

Diego Blas afirma: «Hem pres alguns dels instruments més precisos mai construïts —rellotges atòmics i interferòmetres atòmics— i hem demostrat que es poden reutilitzar per obrir finestres completament noves cap a les parts invisibles de l’Univers. El nostre experiment actual és només un prototip, però la seva ampliació a una instal·lació a gran escala en laboratoris com el CERN o Fermilab permetrà abordar alguns dels misteris més profunds de la física, inclosa la naturalesa de la matèria fosca.»

Els investigadors d’AION estan desenvolupant actualment plans per a aquests sistemes com a part d’un esforç internacional per construir una nova generació de sensors quàntics. En el futur, aquests detectors podrien explorar bandes de freqüència d’ones gravitacionals fins ara inaccessibles i buscar noves formes de matèria, obrint una finestra completament nova a l’Univers.

El professor Oliver Buchmueller, investigador principal de la col·laboració AION a l’Imperial College London, afegeix: «Aquest treball representa una fita important cap als futurs sensors quàntics de gran escala per a la física fonamental. Demostra, en condicions experimentals realistes, una tècnica clau per a les instal·lacions d’interferometria atòmica de nova generació que s’estan desenvolupant internacionalment, incloent-hi MAGIS a Fermilab i la proposta AICE al CERN.»

La col·laboració AION està liderada per l’Imperial College London i inclou investigadors d’una xarxa de diverses institucions, entre les quals hi ha l’IFAE.