Os resultados da colaboração no Reino Unido marcam um grande avanço no desenvolvimento de sensores quânticos em grande escala.
Um protótipo de sensor quântico construído por pesquisadores imperiais mostrou pela primeira vez que uma ideia central por trás de futuros detectores quânticos pode funcionar em condições experimentais realistas.
O estudo mostra que a comparação de dois interferômetros de átomos de linha de base longa, instrumentos que usam lasers para medir o comportamento dos átomos com extrema precisão, pode efetivamente cancelar o ruído experimental.
Isto torna possível recuperar o sinal mesmo quando cada medição individual está envolta em ruído. O avanço poderá apoiar futuras pesquisas por sinais das ondas gravitacionais do Universo e de formas incomuns de matéria escura.
O trabalho faz parte da colaboração Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderados por Imperial, AION Inclui pesquisadores de instituições de todo o Reino Unido que estão desenvolvendo tecnologias de detecção quântica de próxima geração.
Este estudo foi publicado em 17 de junho de 2026 a natureza.
Cancelando ruído em medições quânticas
Compreender o conteúdo do universo e encontrar novas fontes de ondas gravitacionais estão entre as maiores questões da física moderna.
Ambos os objetivos exigem que os cientistas detectem sinais extremamente fracos que podem ser mascarados pelo ruído de fundo. Maneiras confiáveis de separar esses sinais do ruído são essenciais para sondar regiões do universo que os experimentos atuais não conseguem alcançar.
Os interferômetros de átomos de linha de base longa estão se tornando uma das tecnologias mais promissoras para esta tarefa. Eles usam lasers para dividir nuvens de átomos e depois recombiná-las, tornando possível medir pequenas mudanças no movimento atômico com precisão excepcional.
O método baseia-se na comparação do comportamento de duas nuvens de átomos colocadas em locais diferentes e medidas com o mesmo laser. Qualquer diferença entre eles poderia revelar sinais ocultos, como a presença de um campo de matéria escura.
Mas o método enfrentou um sério obstáculo. O laser que controla o experimento produz um ruído de fase muito maior do que os sinais que os físicos esperam detectar. Sem correção, este termo irá mascarar completamente os efeitos que procuram
Os cientistas propuseram resolver o problema comparando dois interferômetros com um método diferencial para que o ruído compartilhado fosse cancelado. Este conceito é central para o projeto da próxima geração de detectores, mas até agora não foi demonstrado que funcione em situações realistas.
Falando sobre a importância do progresso, co-diretor do Laboratório Ultracold Strontium do Imperial College London Dr. “Já sabemos há muito tempo que os sensores quânticos poderiam nos ajudar a entender o universo, mas só recentemente foi possível criá-los com a resolução necessária”, disse Charles Baynham.
Estamos extremamente orgulhosos dos esforços da nossa equipa para tornar estes sensores uma realidade – mal posso esperar pelo dia em que o sinal de um átomo nos fale sobre um buraco negro que se formou há milhões de anos.”
Testando o método
No novo estudo, o grupo Imperial testou esse princípio em laboratório.
Dentro do Laboratório Imperial de Estrôncio Ultrafrio, eles construíram um protótipo de mesa usando duas nuvens amplamente separadas de estrôncio 87 ultrafrio, ambas medidas com um único laser de relógio ultraestável.
O projeto pretendia recriar condições esperadas em experimentos futuros muito maiores, onde o controle de ruído se tornaria mais difícil.
Para testar a resistência da técnica, o grupo adicionou intencionalmente uma grande quantidade de ruído de fase adicional ao sistema, muito maior do que o gerado naturalmente pelos lasers de relógio, para simular as condições esperadas em detectores de linha de base longa.
Por si só, ambos os interferômetros tornam-se inutilizáveis porque o ruído obscurece o sinal. Os padrões de interferência comumente usados para medição foram efetivamente eliminados.
Mas quando os dois interferômetros são comparados, o sinal reaparece. Embora cada medição individual pareça aleatória, a relação entre elas revela o comportamento subjacente do sistema. As medições combinadas atingiram os limites fundamentais estabelecidos pela física quântica, mostrando que o cancelamento de ruído do laser funciona conforme esperado.
Os cientistas então adicionam um sinal oscilante adicional ao sistema, que poderia ser produzido por uma onda gravitacional ou campo de matéria escura. O sinal ainda era claramente detectável, embora o interferômetro por si só não contivesse informações úteis.
Rumo aos detectores da próxima geração
As descobertas fornecem a primeira prova experimental de um princípio fundamental por trás dos interferômetros de átomos de linha de base longa e ajudam a enfrentar um dos principais desafios em seu projeto.
Através do programa AION, os investigadores estão a desenvolver as tecnologias necessárias para dimensionar estes sistemas em experiências capazes de explorar novas regiões do universo.
AION faz parte de um esforço internacional maior que inclui parcerias estreitas com o Fermilab e o projeto MAGIS de instituições americanas relacionadas, todos trabalhando para desenvolver interferômetros atômicos de grande escala para a física fundamental.
Uma proposta é o Experimento CERN de Interferometria Atômica (AICE), que usaria uma técnica semelhante em distâncias muito maiores. Se concretizado, o AICE abrirá uma nova direção para o CERN, aplicando a detecção quântica à física fundamental. Essas instalações poderiam se tornar alguns dos maiores experimentos quânticos já construídos.
Richard Hobson, co-diretor do Laboratório de Estrôncio Ultracold do Imperial, disse: “Pegamos alguns dos instrumentos mais precisos já construídos – relógios atômicos e interferômetros atômicos – e mostramos que eles podem ser reaproveitados para abrir uma janela totalmente nova em partes invisíveis do nosso universo.
A nossa experiência atual é apenas um protótipo, mas aumentá-la para instalações em escala real em laboratórios como o CERN ou o Fermilab permitir-nos-á resolver alguns dos mistérios mais profundos da física, incluindo a natureza da matéria escura.”
Os investigadores imperiais estão agora a planear estes sistemas como parte de um esforço internacional para desenvolver uma nova geração de sensores quânticos. No futuro, esses detectores poderão estudar bandas de frequência de ondas gravitacionais que são atualmente inacessíveis e procurar novas formas de matéria, o que poderá abrir uma janela até então desconhecida para o universo.
O professor Oliver Buchmüller, investigador principal da colaboração AION da Imperial, acrescentou: “Este trabalho marca um marco importante em direção a futuros sensores quânticos de grande escala para a física fundamental. Ele demonstra uma técnica chave atualmente em desenvolvimento internacional no interferômetro, sob condições experimentais realistas. A instalação AICE proposta no Fermilab e no CERN. “
Referências: CFA Baynham, R. Hobson, O. Buchmüller, D. Evans, L. Hawkins, L. Iannizzotto Venezze, A. Josset, D. Lee, E. Pasatembou, OMR. Walt. Walt, UMR. “Um protótipo de interferômetro de átomo diferencial” por Walton 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. Lue, J. Mill, JMJ Mille, J. Mo. Panchumarthy, J. Shaper, Yu. Snyder, X. Su, Y. Tang, K. Takalchek, M. Juner, S. Zhang, Y. Zhi, L. Badurina, A. Beniwal, D. Blass, J. Carlton, J. Ellis, C. McCabe, G. Parrish, d. Pathakon, Vaakon Bhakvar. K. Ponte. A. Carroll, J. Coleman, G. Alertus, p. Hindley, C. Metelko, H. Throssell, JN Tinsley, E. Bentin, M. Booth, D. Bortoletto, n. Callaghan, C. Foote, C. Gomez-Manedero, K. Hughes, A. James, J. And. Março, A. James, J. Lower, J. Sander. Prateleira, I. Shipsey, D. Weatherill, d. Madeira, SN Balashov, MG Besson, K. Hussain, H. Labiad, p. Majewski, AL Marchant, m. Newbold, Z. Pan, Z. Tam, TC Thornton, T. Valenzuela, MGD van der Grinten, A. Clark, A. Clark e I. Collaboration, 17 de junho de 2026, a natureza.
DOI: 10.1038/s41586-026-10617-1
Financiamento: Royal Society, Research Council UK, Universidade de Cambridge, Governo da Catalunha, Ministério das Universidades
O programa foi apoiado pelo programa Tecnologias Quânticas para Física Fundamental (QTFP), uma iniciativa conjunta STFC-EPSRC.
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