Изобретенные в 1991 году атомные интерферометры используют суперпозицию, феномен квантовой механики, позволяющий частице находиться в двух и более состояниях одновременно. Атом в суперпозиции действует как волна, которая делится на две лазерными импульсами. Волны расходятся в разных направлениях, а потом снова объединяются. Картина, которую формирует рекомбинация волн, позволяет измерить силы, действующие на атом.

«Атомные интерферометры отлично измеряют малейшие колебания в расстояниях. Мы не знаем, насколько сильна темная материя, так что наши инструменты должны быть как можно более чувствительными. Поскольку мы еще не видели темную материю, мы знаем, что ее воздействие должно быть довольно слабым», — сказал Тимоти Ковачи из Северо-Западного университета, глава научной группы.

Однако настолько крошечные волны крайне восприимчивы к помехам, нарушающим интерференционную картину. Один фотон может изменить направление движения атома, сдвинув его на сантиметр в секунду. Если это всего один атом, ничего страшного, но из-за повторных лазерных импульсов ошибки в вычислениях быстро накапливаются.

Решение, предложенное командой Ковачи, состоит в том, чтобы методично спланировать лазерные импульсы. Самокоррекция импульсов осуществляется за счет машинного обучения. И хотя отдельные импульсы все еще не полностью защищены от помех, за счет оптимизации всей последовательности их несовершенство можно нивелировать.

После оценки виртуальной модели ученые собрали экспериментальный атомный интерферометр и подтвердили, что он усиливает сигнал в 1000 раз. Производительность прибора без оптимального управления увеличилась в 50 раз.

«Учитывая распространенность спонтанной эмиссии в квантовых системах, эти результаты могут оказаться ценными для улучшения производительности различных квантовых датчиков, — говорится в статье. — Мы считаем, что наше открытие существенно повысит производительность интерферометров для различных задач, включая поиски темной материи, темной энергии и обнаружения гравитационных волн».

Концепция темной энергии была предложена 26 лет назад, с тех пор ученые ищут носителя этой необычной силы, вызывающей нарастающее расширение Вселенной. Команда физиков из США расширила область поисков, разработав самый точный на сегодня эксперимент, который должен был показать малейшие отклонения от принятой теории гравитации.