Yeni kuantum teknolojisi gürültü engelini aştı

Kuantum algılama teknolojileri, karanlık madde izlerini, erken dönem yerçekimi dalgalarını ve evrenin görünmeyen bileşenlerini araştırmak için geliştirilen büyük ölçekli bilim projelerinde giderek daha önemli hale geliyor. Ancak uzun taban çizgili atom interferometrelerinde kullanılan saat lazerlerinin yarattığı faz gürültüsü, ölçüm doğruluğunu sınırlayan en önemli teknik sorunlardan biri olarak öne çıkıyor. Imperial College Londra liderliğindeki Atom İnterferometre Gözlemevi ve Ağı araştırmacıları, bu soruna yönelik yeni bir deneysel başarıya imza attı. Ekip, masaüstü bir prototipte iki atom interferometresinden gelen verileri karşılaştırarak ortak lazer gürültüsünü diferansiyel analizle ayıklamayı başardı.

 

ATOM İNTERFEROMETRELERİ TEST EDİLDİ
Yeni yöntem, iki uzun taban çizgili atom interferometresinin eş zamanlı ölçümlerinin karşılaştırılmasına dayanıyor. Atom interferometreleri, lazer ışınlarıyla atom bulutlarını ayırıp yeniden birleştirerek atomik hareketlerdeki çok küçük sapmaları ölçebiliyor. Imperial College Londra’daki Ultra Soğuk Stronsiyum Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen deneyde, fiziksel olarak birbirinden ayrılmış iki ultra soğuk stronsiyum-87 atom bulutu tek bir ultra kararlı saat lazeri referans alınarak konumlandırıldı. Bu düzenek, gelecekte kurulması planlanan daha büyük ölçekli kuantum dedektörlerinin karşılaşacağı koşulları modellemek için kullanıldı.

YAPAY FAZ GÜRÜLTÜSÜ EKLENDİ
Araştırmacılar, sistemin dayanıklılığını görmek için düzeneğe lazerlerin doğal üretim gürültüsünden çok daha yüksek düzeyde yapay faz gürültüsü enjekte etti. Bu işlem sırasında her iki interferometrenin tekil ölçümleri ve girişim desenleri okunamaz hale geldi. Böylece deney, gerçek ölçümlerde karşılaşılabilecek gürültü sorununun çok daha ağır bir versiyonunu laboratuvar ortamında taklit etti. Amaç, güçlü parazit koşulları altında bile zayıf sinyallerin ayıklanıp ayıklanamayacağını göstermekti.

 

DİFERANSİYEL ANALİZLE GÜRÜLTÜ AYIKLANDI
Tekil sensör verileri gürültü içinde kaybolmasına rağmen, iki interferometreden gelen çıktılar diferansiyel olarak karşılaştırıldığında ortak lazer gürültüsünün matematiksel olarak giderildiği görüldü. Bu yaklaşımda iki sensörün aynı lazerden kaynaklanan ortak parazitleri birbirini nötrleyecek şekilde analiz ediliyor. Araştırmacılar, sistemin bu yöntemle kuantum fiziğinin izin verdiği teorik hassasiyet sınırına yaklaştığını ve ölçüm kararlılığını koruduğunu bildirdi.

GİZLİ SALINIM SİNYALİ KURTARILDI
Gürültü giderme yönteminin başarısını sınamak için sisteme yapay bir yerçekimi dalgası veya karanlık madde alanının yaratabileceği etkiye benzer dış bir salınım sinyali eklendi. Tekil kanallarda bu sinyal ayırt edilemezken, birleşik diferansiyel analiz sonucunda gizli salınım sinyali net biçimde ortaya çıkarıldı. Bu sonuç, yöntemin zayıf kozmik sinyalleri yüksek gürültü altında ayıklamak için kullanılabileceğini gösterdi.

 

BÜYÜK ÖLÇEKLİ DEDEKTÖRLER İÇİN ÖNEMLİ ADIM
Laboratuvarın eş lideri Dr. Charles Baynham, kuantum sensörlerinin temel fizik ve endüstriyel ölçüm alanlarında güçlü bir potansiyele sahip olduğunu belirtti. Baynham, bu sensörleri gerekli hassasiyet seviyesine ulaştırmak için gürültü bariyerinin aşılması gerektiğini vurguladı. Araştırmacılara göre masaüstü prototipte elde edilen sonuç, milyonlarca yıl önce birleşmiş kara deliklerden gelebilecek zayıf kozmik sinyallerin gelecekte daha büyük ölçekli sistemlerle tespit edilmesine yönelik teknik altyapıyı güçlendiriyor.

MAGIS VE AICE PROJELERİNE KATKI SAĞLAYABİLİR
Geliştirilen gürültü kontrol yöntemi, ABD’de Fermilab bünyesinde yürütülen MAGIS projesi gibi büyük ölçekli atom interferometresi çalışmalarında kullanılabilecek bir yaklaşım sunuyor. Aynı yöntem, CERN’de daha uzun mesafelerde kuantum algılama testleri yapmayı hedefleyen Atom İnterferometrisi CERN Deneyi teklifine de teknik katkı sağlayabilir. AICE projesinin onaylanması ve fonlanması halinde, CERN’de büyük ölçekli kuantum enstrümantasyon yatırımlarından biri hayata geçirilebilecek.

 

KÜRESEL KUANTUM ARAŞTIRMALARI İÇİN KİLOMETRE TAŞI
Imperial AION Baş Araştırmacısı Prof. Oliver Buchmueller, elde edilen sonucun temel fizik ve kuantum endüstrisi açısından önemli bir kilometre taşı olduğunu söyledi. Buchmueller, prototipin Fermilab MAGIS ve CERN AICE gibi yeni nesil atom interferometre tesisleri için en büyük donanımsal risklerden birini azaltmaya yardımcı olduğunu belirtti. AION ekibinin çalışması, uzun taban çizgili atom interferometrelerinde lazer faz gürültüsünün giderilmesine yönelik deneysel bir kanıt sunarak kuantum dedektörlerinin ölçeklenmesi açısından önemli bir aşama olarak değerlendiriliyor.