مستشعر كمي جديد يفتح نافذة على الكون غير المرئي

تمثل نتائج التعاون في المملكة المتحدة تقدمًا كبيرًا نحو بناء أجهزة استشعار كمومية واسعة النطاق.

أظهر نموذج أولي لمستشعر كمي صممه باحثون من جامعة إمبريال للمرة الأولى أن الفكرة المركزية وراء أجهزة الكشف الكمومية المستقبلية يمكن أن تعمل في ظروف تجريبية واقعية.

وتوضح الدراسة أن المقارنة بين خطين أساسيين طويلين ذرة يمكن لمقاييس التداخل، وهي الأدوات التي تستخدم الليزر لقياس سلوك الذرات بدقة متناهية، إلغاء الضوضاء التجريبية بشكل فعال.

وهذا يجعل من الممكن استعادة الإشارات حتى عندما يكون كل قياس فردي مدفونًا في الضوضاء. يمكن أن يدعم التقدم عمليات البحث المستقبلية عنه موجات الجاذبية من الكون المبكر وعلامات على أشكال غير عادية من المادة المظلمة.

يعد هذا العمل جزءًا من تعاون مرصد وشبكة مقياس التداخل الذري (AION). بقيادة الإمبراطورية، ايون يضم باحثين من مؤسسات في جميع أنحاء المملكة المتحدة يقومون بتطوير تقنيات استشعار الكم من الجيل التالي.

نُشر هذا البحث في 17 حزيران (يونيو) 2026 في طبيعة.

إلغاء الضوضاء في القياسات الكمومية

يظل فهم محتويات الكون وإيجاد مصادر جديدة لموجات الجاذبية من بين أكبر الأسئلة في الفيزياء الحديثة.

يتطلب كلا الهدفين من العلماء اكتشاف الإشارات الخافتة للغاية التي يمكن إخفاؤها بواسطة ضوضاء الخلفية. تعد الطرق الموثوقة لفصل تلك الإشارات عن الضوضاء ضرورية لاستكشاف مناطق الكون التي لا تستطيع التجارب الحالية الوصول إليها.

أصبحت مقاييس التداخل الذري ذات خط الأساس الطويل واحدة من أكثر التقنيات الواعدة لهذه المهمة. ويستخدمون أشعة الليزر لتقسيم سحب الذرات ثم إعادة تجميعها، مما يجعل من الممكن قياس التغيرات الصغيرة في الحركة الذرية بدقة استثنائية.

وتعتمد الطريقة على مقارنة سلوك سحابتين ذريتين موضوعتين في مواقع مختلفة وقياسهما بنفس الليزر. وأي اختلاف بينهما يمكن أن يكشف عن إشارات مخفية، مثل وجود مجال المادة المظلمة.

لكن هذا النهج يواجه عقبة خطيرة. يُحدث الليزر الذي يتحكم في التجربة ضوضاء طورية أكبر بكثير من الإشارات التي يأمل الفيزيائيون اكتشافها. وبدون التصحيح، فإن هذا الضجيج سوف يخفي تماما التأثيرات التي يبحثون عنها.

اقترح العلماء حل المشكلة باستخدام طريقة تفاضلية، تتمثل في مقارنة مقياسين للتداخل بحيث يتم إلغاء الضوضاء المشتركة. تعتبر هذه الفكرة أساسية لخطط الجيل التالي من أجهزة الكشف، ولكن حتى الآن لم يثبت أنها تعمل في ظل ظروف واقعية.

وفي حديثه عن أهمية التقدم، قال الدكتور تشارلز باينهام، الرئيس المشارك لمختبر السترونتيوم الفائق البرودة في امبريال كوليدج لندنقال: “لقد عرفنا منذ فترة طويلة أن أجهزة الاستشعار الكمومية يمكن أن تساعدنا في فهم الكون، ولكن في الآونة الأخيرة فقط أصبح من الممكن بنائها بالدقة المطلوبة.

نحن فخورون للغاية بجهود فريقنا لجعل هذه المستشعرات حقيقة واقعة – لا أستطيع الانتظار حتى يأتي اليوم الذي تخبرنا فيه الإشارات الصادرة عن الذرة بوجود شيء ما. الثقب الأسود التي اندمجت منذ ملايين السنين.”

اختبار النهج

وفي الدراسة الجديدة، اختبرت المجموعة الإمبراطورية هذا المبدأ في المختبر.

داخل مختبر السترونتيوم الإمبراطوري فائق البرودة، قاموا بإنشاء نموذج أولي على الطاولة باستخدام سحابتين منفصلتين على نطاق واسع من السترونتيوم 87 فائق البرودة، وكلاهما تم قياسهما باستخدام ليزر ساعة فائق الاستقرار.

وكان المقصود من التصميم إعادة خلق الظروف المتوقعة في تجارب مستقبلية أكبر بكثير، حيث سيصبح التحكم في الضوضاء أكثر صعوبة.

لاختبار الإجهاد لهذه التقنية، أضافت المجموعة عمدا كميات كبيرة من ضوضاء الطور الإضافية إلى النظام، أكثر بكثير مما تنتجه أشعة الليزر على مدار الساعة بشكل طبيعي، لتقليد الظروف المتوقعة في أجهزة الكشف ذات خط الأساس الطويل.

أصبح كلا مقياسي التداخل غير صالحين للاستخدام بمفردهما، لأن الضوضاء طغت على الإشارة. تم القضاء على أنماط التداخل المستخدمة عادة للقياس بشكل فعال.

ولكن عندما تمت مقارنة مقياسي التداخل، عادت الإشارة إلى الظهور. وعلى الرغم من أن كل قياس منفصل بدا عشوائيًا، إلا أن العلاقة بينهما كشفت عن السلوك الأساسي للنظام. وقد وصل القياس المشترك إلى الحد الأساسي الذي حددته فيزياء الكم، مما يدل على أن إلغاء الضوضاء بالليزر يعمل حسب الحاجة.

ثم أضاف العلماء إشارة متذبذبة إضافية إلى النظام، مشابهة لتلك التي يمكن أن تنتج عن طريق موجة الجاذبية العابرة أو مجال المادة المظلمة. وكانت الإشارة لا تزال قابلة للاكتشاف بوضوح، على الرغم من أن مقياس التداخل لم يحتوي وحده على معلومات قابلة للاستخدام.

نحو كاشفات الجيل القادم

توفر النتائج أول دليل تجريبي على المبدأ الرئيسي وراء مقاييس التداخل الذري ذات خط الأساس الطويل، وتساعد في معالجة أحد التحديات الرئيسية في تصميمها.

ومن خلال برنامج AION، يقوم الباحثون ببناء التقنيات اللازمة لتوسيع نطاق هذه الأنظمة إلى تجارب قادرة على استكشاف مناطق جديدة من الكون.

يعد AION أيضًا جزءًا من جهد دولي أوسع يتضمن شراكات وثيقة مع مشروع MAGIS في فيرميلاب والمؤسسات الأمريكية ذات الصلة، وكلها تعمل على تطوير مقاييس التداخل الذري واسعة النطاق للفيزياء الأساسية.

أحد الاقتراحات هو قياس التداخل الذري سيرن تجربة (AICE)، والتي من شأنها استخدام تقنيات مماثلة عبر مسافات أطول بكثير. إذا تم تحقيق ذلك، فإن AICE سيفتح اتجاهًا جديدًا لـ CERN من خلال تطبيق الاستشعار الكمي على الفيزياء الأساسية على نطاق واسع. يمكن أن تصبح المرافق من هذا النوع أيضًا من أكبر التجارب الكمومية التي تم بناؤها على الإطلاق.

قال الدكتور ريتشارد هوبسون، الرئيس المشارك لمختبر السترونتيوم الفائق البرودة في إمبريال: «لقد أخذنا بعضًا من أكثر الأدوات دقة على الإطلاق – الساعات الذرية ومقاييس التداخل الذرية – وأظهرنا أنه يمكن إعادة استخدامها لفتح نوافذ جديدة تمامًا على الأجزاء غير المرئية من كوننا.

تجربتنا الحالية هي مجرد نموذج أولي، ولكن توسيع نطاقها إلى منشأة واسعة النطاق في مختبرات مثل CERN أو Fermilab سيسمح لنا بمعالجة بعض من أعمق الألغاز في الفيزياء، بما في ذلك طبيعة المادة المظلمة.

يخطط الباحثون الإمبراطوريون الآن لهذه الأنظمة كجزء من حملة دولية لإنشاء جيل جديد من أجهزة الاستشعار الكمومية. وفي المستقبل، يمكن لمثل هذه الكواشف دراسة نطاقات تردد موجات الجاذبية التي لا يمكن الوصول إليها حاليًا والبحث عن أشكال جديدة من المادة، مما يفتح نافذة غير مستكشفة سابقًا على الكون.

وأضاف البروفيسور أوليفر بوشمولر، الباحث الرئيسي في تعاون AION في إمبريال: “يمثل هذا العمل علامة فارقة مهمة نحو مستقبل أجهزة الاستشعار الكمومية واسعة النطاق للفيزياء الأساسية. فهو يوضح، في ظل ظروف تجريبية واقعية، تقنية رئيسية ذات صلة بمرافق قياس التداخل الذري من الجيل التالي قيد التطوير حاليًا على المستوى الدولي، بما في ذلك MAGIS في Fermilab ومنشأة AICE المقترحة في CERN.”

المرجع: “نموذج أولي لمقياس التداخل الذري التفاضلي للفيزياء الأساسية” بقلم CFA Baynham, R. Hobson, O. Buchmüller, D. Evans, L. Hawkins, L. Iannizzotto Venezze, A. Josset, D. Lee, E. Pasatembou, BE Sauer, MR Tarbutt, O. T. Walker, U. Ennis, A. Ennis, A. Brzakalik, S. Day، S. Hedges، B. Stray، M. Langlois، K. Bongs، T. Hird، S. Lellouch، M. Holynski، B. Bostwick، J. Chen، Z. Eyler، V. Gibson، TL Harte، CC Hsu، M. Karzazi، J. Lu، J. J. Mille، B. Millelle، N. Moe. Panchumarthi، J. Scheper، U. Schneider، X. Su، Y. Tang، K. Tkalčec، M. Zeuner، S. Zhang، Y. Zhi، L. Badurina، A. Beniwal، D. Blas، J. Carlton، J. Ellis، C. McCabe، G. Parish، D. Pathak Govardhan، V. Vaskonen، T. Bowdgecock، K. Bridges. A. Carroll، J. Coleman، G. Elertas، S. Hindley، C. Metelko، H. Throssell، JN Tinsley، E. Bentine، M. Booth، D. Bortoletto، N. Callaghan، C. Foot، C. Gómez-Monedero، K. Hughes، A. James، T. Leese، A. Lowe، J. R. March، J. Sander، J. Sander. Schelfhout، I. Shipsey، D. Weatherill، D. Wood، SN Balashov، MG Bason، K. Hussain، H. Labiad، P. Majewski، AL Marchant، D. Newbold، Z. Pan، Z. Tam، TC Thornton، T. Valenzuela، MGD van der Grinten، I. Vick، Wilmut، A. Clarke and A. Clark. التعاون، 17 يونيو 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10617-1

التمويل: الجمعية الملكية، مجالس البحوث بالمملكة المتحدة، جامعة كامبريدج، حكومة كاتالونيا، وزارة الجامعات

تم دعم البرنامج من قبل برنامج تقنيات الكم للفيزياء الأساسية (QTFP)، وهو مبادرة مشتركة بين STFC وEPSRC.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.