Атоми-разузнавачи: ИИ ще помогне на физиците да надникнат в дъното на Вселената

Нов инструмент в търсенето на неуловимата тъмна материя.

Учени от Северозападния университет в САЩ са разработили свръхчувствителен инструмент, способен да усилва едва доловимите сигнали над 1000 пъти. Новата технология е надминала съществуващите методи и по отношение на точността на измерване 50 пъти.

Устройството, наречено атомен интерферометър, използва светлината, за да манипулира атомите и да измерва и най-слабите сили. За разлика от своите предшественици то елиминира грешките, дължащи се на несъвършенства в самите светлинни импулси.

Изследователите искат да проследят по какъв начин тъмната материя взаимодейства с обикновената материя – явление, което дори най-прецизното оборудване досега не е успяло да улови. Те твърдят, че разработката ще даде възможност за откриване на свръхслабите сили, произлизащи от тъмната материя, тъмната енергия и гравитационните вълни в недостъпни досега честотни диапазони.

Тъмната материя остава една от най-големите загадки на съвременната физика. Имаме добра представа за естеството на едва 15% от материята във Вселената – частта, която наричаме обикновена материя. Останалите 85% са непозната и неизследвана субстанция.

Първият атомен интерферометър се появява през 1991 г. Той се основава на квантовото явление суперпозиция – способността на една частица да се намира в няколко състояния едновременно. В този случай един атом се държи като вълна, която се разпространява едновременно в две направления.

Лазерите в интерферометъра разделят вълноподобния атом на две вълни, изпращат ги по различни траектории и след това ги обединяват. Когато вълните се слеят, те създават специален шаблон, подобен на пръстов отпечатък – той показва какви сили са действали върху атомите в процеса.

Ръководителят на изследването Тимъти Ковачи, доцент по физика и астрономия, обяснява, че атомните интерферометри са особено точни при измерването на минимални колебания в разстоянието. Тъй като тъмната материя все още не е открита, нейното влияние трябва да е изключително слабо, затова чувствителността на устройствата трябва да е максимална.

При такива деликатни измервания и най-малкото несъвършенство води до изкривяване на интерферентната картина. Дори един-единствен фотон може да промени траекторията на атома с един сантиметър в секунда. Загубата на един атом изглежда не е проблем, но когато процедурата се повтаря, грешките постепенно се натрупват, което води до пълната загуба на данните само след няколко цикъла.

За да се справи с този проблем, екипът разработва нов начин за секвениране на лазерните импулси. Технологията се основава на алгоритми с машинно обучение, които автоматично коригират неточностите.

Учените са намалили броя на грешките, причинени от несъвършеното оборудване, и са се научили как прецизно да контролират параметрите на излъчването. След редица успешни компютърни симулации лабораторните експерименти потвърдиха хилядократното усилване на сигнала. Ковачи отбелязва: преди е било възможно да се прилагат само 10 лазерни импулса, а сега броят им е нараснал до 500.

Въпреки че все още е невъзможно да се получи перфектно качество на отделните светлинни импулси, правилно конструираната последователност дава възможност да се компенсират всички недостатъци. Този подход ще помогне да се разкрие пълния потенциал на атомната интерферометрия.

Разработеният метод, според учените, ще намери приложение в различни квантови сензори, при които се наблюдава спонтанно излъчване. Екипът е убеден, че тяхното откритие значително ще повиши чувствителността на интерферометрите при търсенето на тъмна материя, тъмна енергия и гравитационни вълни.