科學家突破性技術，千倍放大宇宙微弱訊號，揭開暗物質之謎

科學家最近開發出一種革命性的原子干涉儀，能夠將微弱的訊號放大一千倍，其靈敏度比以往技術提升了五十倍。這項技術利用雷射脈衝操控原子，並修正了長期以來影響精準度的缺陷。透過這項創新，研究人員希望能夠探測到來自暗物質、暗能量和重力波的超微弱力量。

暗物質的存在一直是科學界的謎團，因為它與普通物質的相互作用極其微弱，即使是最先進的儀器也難以捕捉。如今，西北大學的物理學家們開發出一種突破性的工具，能夠將極微弱的訊號放大一千倍，這項技術被稱為原子干涉儀。與以往版本不同，這種新型干涉儀能夠自我修正雷射脈衝中的缺陷，從而達到前所未有的精準度。

這項突破使得原本無法探測的訊號變得可測量，科學家們因此能夠更深入地研究與暗物質、暗能量和重力波相關的超微弱力量。西北大學的物理學與天文學助理教授 Timothy L. Kovachy 表示：「暗物質是一個令人困惑的問題。我們對日常生活中的普通物質瞭解得非常透徹，但這些物質只佔宇宙物質的15%。我們對佔宇宙大部分的其他物質一無所知，這是一個巨大的空白。」

原子干涉儀自1991年發明以來，便利用了量子力學中的疊加原理，即一個粒子可以同時存在於多種狀態。在這種情況下，原子表現得像一個波，同時存在於兩條路徑上。原子干涉儀利用雷射將原子波分成兩條不同的路徑，然後再將它們重新結合。當這些波重新結合時，它們會產生一種圖案，這種圖案就像指紋一樣，揭示了作用在原子上的力量。透過研究這種圖案，科學家可以測量微小且不可見的力量和加速度。

Kovachy 解釋道：「原子干涉儀非常擅長測量距離中的微小振動。我們不知道暗物質的力量有多強，因此我們希望我們的儀器能夠盡可能地靈敏。由於我們尚未『看到』暗物質，我們知道它的作用一定非常微弱。」然而，在處理如此微小的波動時，任何微小的缺陷都可能導致實驗的失敗。例如，單個光子就能讓原子波偏離軌道，使其速度改變每秒一公分。

為瞭解決這個問題，Kovachy 和他的團隊開發了一種新技術，透過機器學習方法來精確控制雷射脈衝的序列。這種方法能夠自我修正每個雷射脈衝中的缺陷，從而減少實驗設定中的誤差。在模擬測試後，團隊在實驗室中進行了實際實驗，結果顯示訊號被放大了千倍。

Kovachy 表示：「以前我們只能進行10次雷射脈衝，現在我們可以進行500次。這對許多應用來說可能是革命性的。原子干涉儀作為一個整體，能夠自我修正每個雷射脈衝中的缺陷。我們無法讓每個雷射脈衝都完美，但我們可以最佳化整個脈衝序列，以修正每個脈衝中的缺陷。這將使我們能夠充分發揮原子干涉儀的潛力。」

這項研究已發表在《物理評論快報》上，標題為「透過多路徑干涉實現千倍相位放大的穩健量子控制」，作者包括 Yiping Wang、Jonah Glick、Tejas Deshpande 等，發表日期為2024年12月11日。