2026年6月17日——帝国理工学院研究人员开发的一款量子传感器原型，首次证明了下一代量子探测器的关键原理可在现实条件下工作。

这项研究表明，通过比较两个长基线原子干涉仪（即利用激光精确测量原子行为的仪器），可以有效消除实验噪声。

这使得即使在单个测量结果被噪声淹没的情况下，仍能恢复信号，并为搜寻来自早期宇宙的引力波以及奇异暗物质形式的特征信号打开了大门。

该工作是原子干涉仪观测站与网络（AION）合作项目的一部分。该项目由帝国理工学院领导，汇集了英国多家机构的研究人员，共同开发下一代量子传感技术。

这项研究成果今日发表在《自然》杂志上。

消除量子测量中的噪声

理解宇宙的构成以及识别新的引力波源，仍是现代物理学面临的重大挑战。

这两个问题都需要测量极其微弱的信号，而这些信号很容易在背景噪声中丢失。找到可靠的探测方法，对于探索当前实验无法触及的宇宙区域至关重要。

长基线原子干涉仪正成为最有前景的工具之一。其工作原理是利用激光分裂原子云，然后将其重新聚合，从而以极高的精度测量原子运动的微小变化。

这些实验依赖于比较位于不同位置、由同一激光询问的两团原子云的行为。两者之间的任何差异都可能指向此前隐藏的信号，例如暗物质场的存在。

然而，该技术面临一个重大挑战。用于控制实验的激光会产生相位噪声，其强度远大于研究人员试图测量的信号。如果不加以校正，这种噪声会完全掩盖这些效应。

为了克服这个问题，科学家们提出了一种差分方法，即比较两个干涉仪，使得共同噪声相互抵消。这种方法构成了下一代探测器计划的基础，但此前从未在现实条件下得到验证。

谈及这一进展的意义，伦敦帝国理工学院超冷锶实验室联合负责人查尔斯·贝纳姆博士表示：“我们早就知道量子传感器可以帮助我们理解宇宙，但直到最近才有可能构建出具有所需分辨率水平的传感器。

我们为自己的团队将这些传感器变为现实所付出的努力感到无比自豪——我迫不及待地希望有一天，来自原子的信号能告诉我们数百万年前合并的黑洞的信息。”

测试该方法

在这项新研究中，研究人员着手通过实验来验证这一原理。

在帝国理工学院超冷锶实验室，他们构建了一个桌面原型，包含两团宏观分离的超冷锶-87原子云，并由一台超稳时钟激光进行询问。

该装置旨在模拟未来更大规模实验中预期的条件，在这些实验中，控制噪声将变得越来越困难。

为了将该方法推向极限，研究团队故意向系统中引入了大量额外的相位噪声——远超过时钟激光自然产生的水平——以模拟长基线探测器中预期的条件。

单独来看，每个干涉仪都变得无法使用，其信号被噪声淹没。通常允许进行测量的干涉图案被有效抹去。

然而，当比较两个干涉仪时，仍能恢复清晰的信号。尽管每个单独的测量结果看起来是随机的，但它们之间的相关性揭示了系统的潜在行为。综合测量结果达到了量子物理学设定的基本极限，证明了激光噪声消除按要求发挥了作用。

随后，科学家们更进一步，向系统中引入了一个额外的振荡信号，类似于可能由经过的引力波或暗物质场产生的信号。即使在单个干涉仪本身都不包含可用信息的条件下，该信号仍能被清晰探测到。

迈向下一代探测器

这些结果为长基线原子干涉仪的关键原理提供了首次实验验证，有助于解决其设计中的核心挑战。

在AION计划中，研究人员正在开发所需技术，以将这些系统扩展至能够探测宇宙新区域的实验规模。

AION也是一个更广泛的国际计划的一部分，该计划包括与费米实验室的MAGIS项目及相关美国机构的紧密合作，有助于推进用于基础物理的大型原子干涉仪。

这包括诸如CERN原子干涉实验（AICE）等提案，该提案将在更长的距离上应用类似技术。如果实现，AICE将代表CERN的一个新方向，即在大规模上应用量子传感进行基础物理研究。此类设施也可能成为同类中最大的量子实验之一。

帝国理工学院超冷锶实验室联合负责人理查德·霍布森博士表示：“我们利用了有史以来最精确的仪器——原子钟和原子干涉仪——并证明它们可以被重新利用，为观测宇宙不可见部分开辟全新的窗口。

我们目前的实验只是一个原型，但将其扩展到CERN或费米实验室等机构的全面设施，将使我们能够应对物理学中最深层的奥秘，包括暗物质的本质。”

帝国理工学院的研究人员目前正在为这些系统制定计划，作为构建新一代量子传感器的国际努力的一部分。未来，这些探测器可以探索此前无法触及的引力波频带，并搜寻新形态的物质，从而开启一个以前未曾探索的宇宙窗口。

帝国理工学院AION合作项目首席研究员奥利弗·布赫米勒教授补充道：“这项工作是迈向未来用于基础物理的大型量子传感器的重要里程碑。它在现实的实验条件下，展示了一项关键技术，该技术对于目前国际上正在开发的下一代原子干涉仪设施至关重要，包括费米实验室的MAGIS以及拟议中的CERN的AICE设施。”

AION合作项目由伦敦帝国理工学院领导，成员包括伯明翰大学、剑桥大学、利物浦国王学院和牛津大学的研究人员，以及STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室。

该计划得到了基础物理量子技术（QTFP）项目的支持，这是STFC与EPSRC的一项联合倡议。