Ученые из Имперского колледжа Лондона предложили и экспериментально подтвердили методику, которая позволяет отсекать лазерный шум в атомных интерферометрах — перспективных детекторах гравитационных волн. Работа опубликована в журнале Nature.
Вместо борьбы с помехами физики научились их компенсировать, сравнивая показания двух независимых интерферометров.
Главные мысли за 1 минуту:
- Лазерный шум долгое время мешал выделять слабые сигналы от гравитационных волн в атомных интерферометрах.
- Ученые предложили сравнивать данные двух пространственно разделенных атомных интерферометров, облучаемых одним лазером.
- Эксперимент на прототипе с ультрахолодным стронцием-87 показал, что шумы взаимно уничтожаются, а полезный сигнал восстанавливается.
- Метод работает на квантовом пределе точности и позволяет регистрировать имитированные гравитационные волны даже при сильных помехах.
- Технология открывает путь к детекторам нового поколения, способным искать гравитационные волны в недоступных ранее диапазонах и изучать темную материю.
Проблема лазерного шума
Поиск гравитационных волн остается одной из сложнейших задач астрофизики. Сигналы настолько слабы, что их легко заглушить фоновыми шумами — особенно теми, что создает само оборудование. Длиннобазовые атомные интерферометры считаются многообещающим инструментом: лазеры расщепляют облака холодных атомов, а затем сводят их, фиксируя малейшие отклонения. Однако именно лазер вносит основной шум, который может полностью перекрыть данные.
«По отдельности шум полностью подавлял сигнал с каждого интерферометра», — поясняют авторы работы.
Как работает новый метод
Исследователи применили нестандартный ход: вместо того чтобы пытаться избавиться от помех на каждом детекторе по отдельности, они решили сравнить показания двух интерферометров. Оба облака ультрахолодного стронция-87 облучались одним сверхстабильным часовым лазером. Поскольку шум влияет на оба канала одинаково, при взаимном вычитании он исчезает, а истинный сигнал — например, от проходящей гравитационной волны — сохраняется.
Экспериментальная проверка
Ученые собрали настольный прототип с двумя пространственно разделенными облаками атомов. Чтобы имитировать условия реальных крупных детекторов, в установку намеренно внесли дополнительный шум — намного сильнее естественного лазерного. В этих условиях одиночные измерения выглядели случайными и не несли информации. Но при совместной обработке данных двух интерферометров четкий сигнал восстанавливался.
«Совместное измерение работает на фундаментальном пределе точности, установленном квантовой физикой», — отмечают физики.
Затем в систему ввели осциллирующий сигнал, имитирующий влияние гравитационной волны или поля темной материи. Даже при сильнейшем шуме метод позволил его зарегистрировать без потери достоверности.
Перспективы
Эта работа доказывает, что подавление лазерного шума через корреляцию двух интерферометров — реалистичная и надежная техника. В будущем на ее основе можно создать детекторы гравитационных волн нового поколения. Они откроют ранее недоступные частотные диапазоны и помогут в поиске новых форм материи, включая темную.
«Мы открываем прежде не изученное окно во Вселенную», — резюмируют авторы.