Un sensore quantistico supera un ostacolo importante nella ricerca della materia oscura e delle onde gravitazionali.

Un prototipo di sensore quantistico sviluppato dai ricercatori dell’Imperial College ha dimostrato per la prima volta che un principio chiave alla base dei rivelatori quantistici di prossima generazione può funzionare in condizioni realistiche.

Lo studio dimostra come il confronto tra due interferometri atomici a lunga base, strumenti che utilizzano laser per misurare con precisione il comportamento degli atomi, permetta di annullare efficacemente il rumore sperimentale.

Ciò consente di recuperare i segnali anche quando le singole misurazioni sono sovraccaricate e apre la strada alla ricerca di onde gravitazionali provenienti dall’universo primordiale e di tracce di forme esotiche di materia oscura.

Il lavoro si inserisce nel quadro della collaborazione Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Guidata dall’Imperial College, AION riunisce ricercatori provenienti da istituzioni di tutto il Regno Unito per sviluppare tecnologie di rilevamento quantistico di nuova generazione.

Questa ricerca è stata pubblicata su Nature .

Eliminazione del rumore nelle misurazioni quantistiche

Comprendere di cosa è fatto l’universo e identificare nuove sorgenti di onde gravitazionali rimangono sfide fondamentali della fisica moderna.

Entrambi i problemi richiedono la misurazione di segnali estremamente deboli che possono facilmente perdersi nel rumore di fondo. Trovare metodi affidabili per rilevarli è essenziale per esplorare parti dell’universo a cui gli esperimenti attuali non possono accedere.

Gli interferometri atomici a lunga base si stanno affermando come uno degli strumenti più promettenti per questo scopo. Il loro funzionamento si basa sull’utilizzo di laser per separare le nubi di atomi e poi riunirle, consentendo di misurare con estrema precisione anche le minime variazioni del loro movimento.

Questi esperimenti si basano sul confronto del comportamento di due nubi di atomi mantenute in posizioni diverse e analizzate dallo stesso laser. Qualsiasi differenza tra le due potrebbe indicare segnali precedentemente nascosti, ad esempio, la presenza di un campo di materia oscura .

Tuttavia, la tecnica presenta una sfida importante. Il laser utilizzato per controllare l’esperimento produce un rumore di fase di gran lunga superiore ai segnali che i ricercatori stanno cercando di misurare. Se non corretto, questo rumore oscura completamente questi effetti.

Per ovviare a questo problema, gli scienziati hanno proposto un approccio differenziale, che confronta due interferometri in modo che il rumore condiviso si annulli. Questo metodo è alla base dei progetti per i rivelatori di prossima generazione, ma non era mai stato dimostrato in condizioni realistiche.

Parlando dell’importanza di questo progresso, il dottor Charles Baynham, co-responsabile dell’Ultracold Strontium Laboratory dell’Imperial College di Londra, ha affermato: “Sappiamo da tempo che i sensori quantistici possono aiutarci a comprendere l’universo, ma solo di recente è diventato possibile costruirli con la risoluzione necessaria.

“Siamo immensamente orgogliosi degli sforzi compiuti dal nostro team per rendere questi sensori una realtà: non vedo l’ora che arrivi il giorno in cui i segnali provenienti da un atomo ci parleranno di un buco nero che si è formato milioni di anni fa.”

Testare l’approccio

Nel nuovo studio, i ricercatori si sono proposti di testare sperimentalmente questo principio.

Nel Laboratorio Imperiale di Stronzio Ultrafreddo, hanno costruito un prototipo da tavolo con due nubi di stronzio-87 ultrafreddo macroscopicamente separate, interrogate da un singolo laser a orologio ultra-stabile.

L’apparato è stato progettato per simulare le condizioni previste in futuri esperimenti di dimensioni molto maggiori, dove il controllo del rumore diventa sempre più difficile.

Per spingere il metodo al limite, il team ha introdotto deliberatamente nel sistema grandi quantità di rumore di fase aggiuntivo, ben superiore a quello prodotto naturalmente dai laser di clock, per simulare le condizioni previste nei rivelatori a lunga base.

Singolarmente, ciascun interferometro divenne inutilizzabile, con il suo segnale oscurato dal rumore. Gli schemi di interferenza che normalmente consentono di effettuare le misurazioni furono di fatto cancellati.

Tuttavia, confrontando i due interferometri, è stato possibile recuperare un segnale chiaro. Sebbene ogni singola misurazione apparisse casuale, la correlazione tra di esse ha rivelato il comportamento sottostante del sistema. La misurazione combinata opera al limite fondamentale imposto dalla fisica quantistica, dimostrando che la cancellazione del rumore laser funziona come previsto.

Gli scienziati hanno poi fatto un ulteriore passo avanti, introducendo nel sistema un segnale oscillante aggiuntivo, simile a quello che potrebbe essere prodotto da un’onda gravitazionale di passaggio o da un campo di materia oscura. Questo segnale poteva essere rilevato chiaramente anche in condizioni in cui nessuno dei due interferometri da solo forniva informazioni utilizzabili.

Verso i rivelatori di prossima generazione

I risultati forniscono la prima convalida sperimentale di un principio chiave alla base degli interferometri atomici a lunga base, contribuendo a risolvere una sfida centrale nella loro progettazione.

Nell’ambito del programma AION, i ricercatori stanno sviluppando le tecnologie necessarie per ampliare questi sistemi e realizzare esperimenti in grado di esplorare nuove regioni dell’universo.

AION fa inoltre parte di un più ampio programma internazionale che include strette collaborazioni con il progetto MAGIS del Fermilab e le istituzioni statunitensi associate, contribuendo a promuovere gli interferometri atomici su larga scala per la fisica fondamentale.

Ciò include proposte come l’ esperimento di interferometria atomica del CERN (AICE), che applicherebbe tecniche simili su distanze molto maggiori. Se realizzato, AICE rappresenterebbe una nuova direzione per il CERN, applicando la rilevazione quantistica alla fisica fondamentale su larga scala. Tali strutture potrebbero anche classificarsi tra i più grandi esperimenti quantistici del loro genere.

Il dottor Richard Hobson, co-responsabile dell’Ultracold Strontium Laboratory dell’Imperial College, ha dichiarato: “Abbiamo preso alcuni degli strumenti più precisi mai costruiti, come orologi atomici e interferometri atomici, e abbiamo dimostrato che possono essere riutilizzati per aprire finestre completamente nuove sulle parti invisibili del nostro universo.

“Il nostro esperimento attuale è solo un prototipo, ma la sua estensione a una struttura su vasta scala presso laboratori come il CERN o il Fermilab ci permetterà di affrontare alcuni dei misteri più profondi della fisica, inclusa la natura della materia oscura.”

I ricercatori dell’Imperial College stanno attualmente sviluppando progetti per questi sistemi nell’ambito di uno sforzo internazionale per costruire una nuova generazione di sensori quantistici. In futuro, questi rivelatori potrebbero esplorare bande di frequenza delle onde gravitazionali precedentemente inaccessibili e cercare nuove forme di materia, aprendo una finestra inesplorata sull’universo.

l professor Oliver Buchmueller, responsabile scientifico della collaborazione AION presso l’Imperial College, ha aggiunto: “Questo lavoro rappresenta un’importante pietra miliare verso i futuri sensori quantistici su larga scala per la fisica fondamentale. Dimostra, in condizioni sperimentali realistiche, una tecnica chiave rilevante per gli interferometri atomici di prossima generazione attualmente in fase di sviluppo a livello internazionale, tra cui MAGIS al Fermilab e il proposto impianto AICE al CERN.”

La collaborazione AION è guidata dall’Imperial College di Londra e comprende ricercatori delle università di Birmingham, Cambridge, Liverpool, King’s College di Londra e Oxford, insieme al Rutherford Appleton Laboratory dello STFC.

Abstract

Le onde gravitazionali e la materia oscura ultraleggera sono tra le frontiere più affascinanti della fisica fondamentale, e ciò ha motivato le proposte per interferometri atomici a lunghissima base che mirano a rilevare alle frequenze in cui i sistemi terrestri ⁵ e trasportati nello spazio. Gli interferometri laser perdono sensibilità. Gli interferometri atomici a lunghissima base cercano segnali confrontando l’evoluzione di fase quantistica di insiemi atomici ampiamente separati interrogati da un laser comune. Tuttavia, le loro prestazioni dipendono in modo critico dalla soppressione delle sorgenti di rumore, in particolare del rumore di fase del laser. La validazione sperimentale di tale reiezione del rumore rimane una sfida importante. Qui dimostriamo un prototipo di interferometro atomico differenziale basato sulla transizione di clock a singolo fotone di fermioni ⁸⁷ Signor. Otteniamo quindi una configurazione gradiometrica con una specie intrinsecamente adatta al funzionamento su scala chilometrica e in linea di base spaziale. Lo strumento opera al limite quantistico standard senza rumore aggiuntivo oltre il rumore di shot atomico. La configurazione differenziale mantiene una sensibilità limitata quantisticamente in presenza di diversi radianti di rumore di fase laser iniettato artificialmente per ogni shot, che emula le condizioni previste in un interferometro atomico a lunghissima base. Dimostriamo inoltre il recupero di segnali oscillatori coerenti su un ampio intervallo di frequenza in condizioni di randomizzazione di fase completa, una capacità inaccessibile a un singolo interferometro operante nello stesso regime. Questi risultati forniscono una validazione sperimentale del principio di misurazione immune al rumore alla base degli interferometri atomici a lunghissima base e segnano un passo importante verso i sensori quantistici di prossima generazione per il rilevamento di onde gravitazionali e la ricerca di materia oscura ultraleggera

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