Görünmezi Gören Göz: Yeni Kuantum Sensörü Evrenin Karanlık Sırlarını Nasıl Açığa Çıkaracak?
Imperial Üniversitesi araştırmacıları tarafından geliştirilen bir prototip kuantum sensörü, gelecekteki kuantum dedektörlerinin temel fikrinin gerçekçi deneysel koşullarda çalışabileceğini ilk kez gösterdi.
Çalışma, atomların davranışını son derece hassas bir şekilde ölçmek için lazer kullanan iki uzun tabanlı atom interferometresinin karşılaştırılmasının, deneysel gürültüyü etkili bir şekilde ortadan kaldırabileceğini gösteriyor.
Bu, her bir ölçümün gürültüye gömüldüğü durumlarda bile sinyallerin kurtarılmasını mümkün kılıyor. Bu ilerleme, evrenin erken dönemlerinden gelen yerçekimi dalgaları ve karanlık maddenin alışılmadık biçimlerinin belirtileri için gelecekteki araştırmaları destekleyebilir.
Çalışma, Atom İnterferometre Gözlemevi ve Ağı (AION) iş birliğinin bir parçasıdır. Imperial Üniversitesi liderliğindeki AION, yeni nesil kuantum algılama teknolojileri geliştiren Birleşik Krallık genelindeki kurumlardan araştırmacıları içeriyor.
Bu odanın merkezindeki küçük parlayan top, mutlak sıfıra yakın sıcaklıktaki bir atom bulutudur ve mavi lazer ışığıyla havada asılı durmaktadır. Bu atomlar, yerçekimi dalgalarını ve karanlık maddeyi dinlemek üzere çevrilmiş minik sensörler haline gelmeden önce daha da soğutulacaktır. (Fotoğraf: Dr. Thomas Walker, Imperial College London)
Kuantum ölçümlerinde gürültüyü ortadan kaldırma
Evrenin içeriğini anlamak ve yeni yerçekimi dalgası kaynakları bulmak, modern fiziğin en büyük soruları arasında yer almaktadır.
Her iki hedef de bilim insanlarının arka plan gürültüsü tarafından gizlenebilen son derece zayıf sinyalleri tespit etmesini gerektirir. Bu sinyalleri gürültüden ayırmanın güvenilir yolları, mevcut deneylerin ulaşamadığı Evren bölgelerini araştırmak için çok önemlidir.
Uzun taban çizgili atom interferometreleri, bu görev için en umut vadeden teknolojilerden biri haline geliyor. Atom bulutlarını ayırmak ve ardından yeniden birleştirmek için lazerler kullanıyorlar; bu da atomik hareketlerdeki küçük değişiklikleri olağanüstü hassasiyetle ölçmeyi mümkün kılıyor.
Gözlemlenebilir Evrende simüle edilmiş kara delik birleşmeleri, mevcut ve önerilen yerçekimi dalgası dedektörlerinin öngörülen hassasiyetleriyle birlikte gösterilmiştir. Bu çalışmada öncülük edilen yeni atom tabanlı sensör sınıfı (AION/AEDGE), galaksimizin oluşumunda önemli rol oynayan Orta Kütleli Kara Delikleri (IMBH’ler) görmemize yardımcı olabilir. (Kaynak: Dr. Thomas Walker, Dr. Charles Baynham, Dr. Thomas Walker, Dr. Elizabeth Pasatembou, Dr. Charles Baynham, Imperial College London)
Yöntem, farklı konumlara yerleştirilmiş ve aynı lazerle ölçülmüş iki atom bulutunun davranışını karşılaştırmaya dayanmaktadır. Aralarındaki herhangi bir fark, karanlık madde alanı varlığı gibi gizli sinyalleri ortaya çıkarabilir.
Ancak bu yaklaşım ciddi bir engelle karşı karşıyadır. Deneyi kontrol eden lazer, fizikçilerin tespit etmeyi umdukları sinyallerden çok daha büyük faz gürültüsü yaratır. Düzeltme yapılmazsa, bu gürültü aradıkları etkileri tamamen maskeleyecektir.
Bilim insanları, ortak gürültünün birbirini götürmesi için iki interferometreyi karşılaştıran diferansiyel bir yöntemle sorunu çözmeyi önermişlerdir. Bu fikir, yeni nesil dedektörler için planların merkezinde yer alıyor, ancak şimdiye kadar gerçekçi koşullar altında işe yaradığı gösterilmemişti.
Bu gelişmenin öneminden bahseden Imperial College London’daki Ultra Soğuk Stronsiyum Laboratuvarı’nın eş lideri Dr. Charles Baynham, şunları söyledi: “Kuantum sensörlerinin evreni anlamamıza yardımcı olabileceğini uzun zamandır biliyoruz, ancak gerekli çözünürlükte bunları inşa etmek ancak yakın zamanda mümkün oldu.
Bu sensörleri gerçeğe dönüştürmek için ekibimizin çabalarından son derece gurur duyuyoruz – bir atomdan gelen sinyallerin milyonlarca yıl önce birleşmiş bir kara delik hakkında bize bilgi verdiği günü sabırsızlıkla bekliyorum.”
Yaklaşımın Test Edilmesi
Yeni çalışmada, Imperial grubu bu prensibi laboratuvarda test etti.
Imperial Ultra Soğuk Stronsiyum Laboratuvarı’nda, iki adet birbirinden oldukça uzak ultra soğuk stronsiyum 87 bulutu kullanarak, her ikisi de tek bir ultra kararlı saat lazeriyle ölçülen bir masaüstü prototipi oluşturdular.
Tasarım, gürültü kontrolünün daha da zorlaşacağı çok daha büyük gelecekteki deneylerde beklenen koşulları yeniden yaratmayı amaçlıyordu.
Tekniği stres testinden geçirmek için, grup kasıtlı olarak sisteme, saat lazerlerinin doğal olarak ürettiğinden çok daha fazla miktarda ekstra faz gürültüsü ekledi; bu, uzun taban çizgili dedektörlerde beklenen koşulları taklit etmek içindi.
Kuantum sensörü oluşturmak için, ışığın frekansı, polarizasyonu ve yoğunluğunun iyi kontrol edildiği dikkatlice kontrol edilmiş bir durumda hazırlanması gerekir. Burada, atomları mutlak sıfıra soğutmak için kullanılmadan önce mavi ışığın polarizasyonu değiştirilir. (Kaynak: Dr. Thomas Walker, Imperial College London)
Tek başlarına, her iki interferometre de gürültü sinyali bastırdığı için kullanılamaz hale geldi. Ölçüm için normalde kullanılan girişim desenleri etkili bir şekilde silindi.
Ancak iki interferometre karşılaştırıldığında, sinyal yeniden ortaya çıktı. Her ayrı ölçüm rastgele görünse de, aralarındaki ilişki sistemin temel davranışını ortaya koydu. Birleşik ölçüm, kuantum fiziğinin belirlediği temel sınıra ulaştı ve lazer gürültü iptalinin gerektiği gibi çalıştığını gösterdi.
Bilim insanları daha sonra sisteme, geçen bir yerçekimi dalgası veya karanlık madde alanı tarafından üretilebilecek bir sinyale benzer ekstra bir salınım sinyali eklediler. Her iki interferometre tek başına kullanılabilir bilgi içermese de, sinyal hala açıkça tespit edilebiliyordu.
Kuantum sensörü oluşturmak için, ışığın frekansı, polarizasyonu ve yoğunluğunun iyi kontrol edildiği dikkatlice kontrol edilmiş bir durumda hazırlanması gerekir. Burada, atomları mutlak sıfıra soğutmak için kullanılmadan önce kırmızı lazerin frekansı değiştiriliyor. (Kaynak: Dr. Elizabeth Pasatembou, Imperial College London)
Yeni nesil dedektörlere doğru
Bulgular, uzun taban çizgili atom interferometrelerinin ardındaki temel bir prensibin ilk deneysel kanıtını sağlıyor ve tasarımlarındaki ana zorluklardan birini ele almaya yardımcı oluyor.
AION programı aracılığıyla araştırmacılar, bu sistemleri Evrenin yeni bölgelerini keşfedebilecek deneylere dönüştürmek için gereken teknolojileri geliştiriyorlar.
AION ayrıca, Fermilab’daki MAGIS projesi ve ilgili ABD kurumlarıyla yakın ortaklıkları içeren daha geniş bir uluslararası çabanın parçasıdır ve hepsi temel fizik için büyük ölçekli atom interferometrelerini geliştirmek için çalışmaktadır.
Bir öneri, çok daha uzun mesafelerde benzer teknikler kullanacak olan Atom İnterferometrisi CERN Deneyi (AICE)’dir. Gerçekleşirse, AICE, kuantum algılamayı temel fiziğe büyük ölçekte uygulayarak CERN için yeni bir yön açacaktır. Bu tür tesisler, şimdiye kadar inşa edilmiş en büyük kuantum deneylerinden bazıları haline de gelebilir.
Imperial’deki Ultra Soğuk Stronsiyum Laboratuvarı’nın eş lideri Dr. Richard Hobson, “Şimdiye kadar üretilmiş en hassas aletlerden bazılarını –atom saatlerini ve atom interferometrelerini– alıp, bunların evrenimizin görünmeyen kısımlarına tamamen yeni pencereler açmak için yeniden kullanılabileceğini gösterdik.
Mevcut deneyimiz sadece bir prototip, ancak bunu CERN veya Fermilab gibi laboratuvarlarda tam ölçekli bir tesise dönüştürmek, karanlık maddenin doğası da dahil olmak üzere fiziğin en derin gizemlerinden bazılarıyla başa çıkmamızı sağlayacak.” dedi.
Imperial araştırmacıları, yeni nesil kuantum sensörleri oluşturmak için uluslararası bir çabanın parçası olarak bu sistemleri planlıyorlar. Gelecekte, bu tür dedektörler, şu anda erişilemeyen yerçekimi dalgası frekans bantlarını inceleyebilir ve yeni madde biçimleri arayarak evrene daha önce keşfedilmemiş bir pencere açabilir.
Imperial’deki AION işbirliğinin Baş Araştırmacısı Profesör Oliver Buchmueller şunları ekledi: “Bu çalışma, temel fizik için gelecekteki büyük ölçekli kuantum sensörlerine doğru önemli bir kilometre taşıdır. Gerçekçi deneysel koşullar altında, Fermilab’daki MAGIS ve CERN’de önerilen AICE tesisi de dahil olmak üzere, uluslararası alanda geliştirilmekte olan yeni nesil atom interferometre tesisleri için önemli bir tekniği göstermektedir.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Uzayda Kuantum Algılama Tekolojisi Kullanılarak Dünya’nın İklim Süreci Ölçümleri Yapılacak