2026年7月18日——牛津大学物理学系的研究人员在大规模量子传感器领域取得重大进展，这类传感器能够在现实条件下运行。最终，这项工作可能帮助物理学家探测暗物质、暗能量和引力波的基本性质。相关成果已发表在《自然》杂志上。

宇宙中约95%的成分被认为由暗物质和暗能量构成，但它们的本质仍是物理学中最大的未解难题之一。寻找线索的一种方法是利用量子传感技术，探测这些现象可能对原子产生的微小影响。然而，这要求研究人员测量极易被背景噪声淹没的极微弱信号。

长基线原子干涉仪正成为应对这一挑战的最有前景的技术之一。它们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中的细微变化。例如，这些变化可能是由穿过探测器的引力波，或是改变原子能级的暗物质场所引起的。

不过，一个主要障碍是，用于控制这些实验的激光产生的相位噪声远大于研究人员试图探测的信号。如果不加以校正，这种噪声会完全掩盖被测量的效应。

为了克服这一问题，科学家提出采用差分方法，即比较两个干涉仪，使共同的噪声相互抵消。这种方法构成了下一代探测器计划的基础，但迄今为止，尚未在真实操作条件下得到验证。

来自原子干涉仪观测站与网络（AION）合作项目的最新研究表明，在未来探测器预期运行的环境下，这种方法在技术上是可行的。AION 由伦敦帝国理工学院牵头，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。

 

在现实条件下测试量子传感器

在帝国理工学院的超冷锶实验室，研究团队搭建了一个桌面原型系统，使用两个空间上分离的超冷锶-87原子云，并由一台超稳定时钟激光器进行探测。

该装置旨在模拟未来更大规模实验中的预期条件，在那种条件下，噪声控制将变得更加困难。为了将这种方法推向极限，团队特意在系统中引入了大量额外的相位噪声，远超时钟激光器自然产生的噪声量，以模拟长基线探测器中的预期条件。

单独来看，每个干涉仪的信号都被噪声淹没，变得无法使用。通常用于测量的干涉图样实际上已被抹去。

然而，当比较两个干涉仪时，仍然可以恢复出清晰的信号。尽管每次单独测量看似随机，但它们之间的相关性揭示了系统的底层行为。组合测量达到了量子物理学设定的基本极限，证明了激光噪声抵消按预期发挥作用。

研究人员随后更进一步，向系统中引入了一个额外的振荡信号，类似于经过的引力波或暗物质场所产生的信号。即使在两个干涉仪各自都不包含可用信息的条件下，这个信号仍然能被清晰地检测到。

这一结果为长基线原子干涉仪的一个关键原理提供了首个实验验证，有助于解决其设计中的核心挑战。牛津大学物理学系教授丹妮拉·博尔托莱托是 AION 合作项目的成员，她表示：“这项工作展示了通过对量子技术和基础物理学的长期投资所能取得的成果。我们的结果验证了未来量子传感器背后的关键原理，为引力波研究和暗物质搜寻开辟了道路。这样的成果凸显了，对雄心勃勃、由好奇心驱动的研究给予持续支持，能够带来科学机遇和全球领先地位。”

AION 项目工程师杰克·桑德表示：“牛津在 AION-10 项目的成功中发挥了重要作用，提供了大量的工程专业知识和高级领导力。特别是，我们的工程师帮助定义并实现了支撑长基线原子干涉仪的设计方案，将雄心勃勃的物理需求转化为切实可行的解决方案。这些贡献在解决实验中最具挑战性的技术难题以及推动 AION 实现其科学目标方面起到了关键作用。”

牛津大学物理学系的博士生、AION 合作项目成员杰西·谢尔夫豪特补充道：“令人惊叹的是，即使在高度模拟的激光相位噪声下，注入的信号仍能被忠实地恢复。我觉得实验背后的物理学原理非常迷人——一个同时处于两个位置的原子可以成为如此巧妙的传感器——我期待着当这项技术扩展后，包括预计明年完工的 MAGIS-100 仪器，会有哪些新发现。”

 

迈向新一代探测器

AION 项目旨在将这些技术应用于大规模实验，以探测宇宙的新领域。这包括一项将长基线原子干涉仪作为原子干涉 CERN 实验（AICE）一部分的提议，该实验能够对超轻暗物质及其他暗区特征进行灵敏搜寻。

牛津大学物理学系教授克里斯托弗·富特是 AION 合作项目的另一位成员，他表示：“牛津的激光实验室使用了一个在 AION 项目内部合作建造的超高真空系统；该系统旨在适用于比目前设想的 100 米仪器更高的未来几代设备。这些发现基于 AION 项目在激光和超冷锶物理学领域多年来的技术进展，正是这些进展使实验成为可能。”

这些实验所依托的技术具有更广泛的应用前景。超冷原子源、超稳定激光器和精密干涉测量法是支撑下一代原子钟的核心平台，可用于不依赖 GPS 的精确导航系统。可移动仪器中的原子干涉测量技术也是绘制地球重力场微小变化图的工具。

这项研究谨献给牛津大学物理学系前系主任伊恩·希普西教授，他的远见和领导力在建立 AION 合作项目中发挥了关键作用。