Квантовые датчики ушли в космос — и нашли то, чего физики ждали десятилетиями

Китайская станция испытала квантовый сенсор Xe-129 и Xe-131 — Science Daily

Квантовые технологии уверенно выходят за пределы лабораторий и приближаются к космосу. Новая миссия SQUIRE меняет представление о том, как человечество может изучать Вселенную, создавая фундамент для системы, способной фиксировать ранее недостижимые сигналы. На орбите будут установлены сверхчувствительные квантовые спиновые датчики, которые смогут улавливать следы экзотических частиц и взаимодействий. Об этом сообщает Science Daily.

Как работает космическая квантовая стратегия SQUIRE

Проект SQUIRE основан на идее регистрации так называемых экзотических взаимодействий, опосредованных бозонами. Всего существует 16 типов таких взаимодействий, из которых пятнадцать зависят от спина частиц, а десять — от их скорости. Эти явления вызывают микроскопические смещения уровней энергии атомов. Квантовые спиновые датчики способны преобразовывать эти смещения в псевдомагнитные поля, которые можно зафиксировать и проанализировать.

Именно этот принцип положен в основу миссии SQUIRE: на орбитальных платформах, включая Китайскую космическую станцию, размещаются чувствительные квантовые детекторы. Они измеряют поля, возникающие при взаимодействии экзотических частиц с геоэлектронами Земли. Таким образом, в эксперимент впервые вводится глобальный масштаб: орбитальные приборы могут отслеживать сигналы, недоступные наземным установкам, ограниченным скоростью и количеством поляризованных спинов.

"Комбинация орбитального доступа и квантовых измерений позволяет преодолеть главные барьеры традиционных экспериментов", — отмечается в публикации проекта.

В отличие от лабораторных условий, в космосе можно одновременно увеличивать скорость движения датчика и количество регистрируемых спинов. Это делает SQUIRE уникальной платформой для поиска новой физики.

Почему низкая орбита открывает новые горизонты чувствительности

На первый взгляд кажется, что перенос экспериментов в космос лишь усложняет задачу. Однако именно орбитальные условия обеспечивают резкий рост чувствительности к экзотическим сигналам. Китайская космическая станция движется со скоростью около 7,67 километров в секунду — почти первой космической скоростью. Это примерно в четыреста раз быстрее, чем в типичных наземных экспериментах.

Кроме того, сама Земля служит мощным источником спинов: в мантии и коре присутствуют несвязанные электроны, выровненные магнитным полем планеты. По оценкам, их число достигает 10^42 — в десятки квадриллионов раз больше, чем в искусственных источниках, создаваемых в лаборатории.

Орбитальное движение создаёт естественную модуляцию сигналов, превращая экзотические взаимодействия в периодические колебания, которые проще отделить от фонового шума. Для станции с периодом обращения около 1,5 часа частота таких колебаний составляет примерно 0,189 МГц — диапазон, где уровень шума минимален.

Результаты и прогнозируемые улучшения

Благодаря этим особенностям миссия SQUIRE способна достичь предельной чувствительности, превосходящей все предыдущие наземные эксперименты. Даже при строгих ограничениях на параметры взаимодействий прибор фиксирует амплитуды экзотических полей порядка 20 пТл, тогда как лучший наземный результат составлял около 0,015 пТл.

Для взаимодействий, зависящих от скорости, прирост чувствительности может достигать шести-семи порядков. Это означает, что теперь можно регистрировать явления, ранее считавшиеся недостижимыми.

Технологическая основа и создание прототипа

Чтобы проект перешёл от теории к практике, был разработан прототип космического квантового датчика. Его главная задача — сохранять стабильность в условиях микрогравитации, радиации и вибраций.

Ключевым вызовом стало снижение шума. Команда SQUIRE применила тройной подход:

Двойной спиновый датчик на изотопах ксенона Xe-129 и Xe-131. Благодаря противоположным гиромагнитным свойствам устройство компенсирует фоновые магнитные возмущения, увеличивая точность в 10^4 раз.
Система подавления вибраций, основанная на волоконно-оптическом гироскопе, анализирует движение станции и вносит коррекции в реальном времени. Это снижает уровень механического шума до 0,65 фемтотеслы.
Радиационно-стойкий корпус из алюминия толщиной 5 мм с тройным резервированием электроники. Даже если два модуля выйдут из строя, система продолжит работу без заметных сбоев.

Благодаря этим решениям прототип достигает чувствительности 4,3 фТл при времени измерения около 1165 секунд. Такой уровень достаточен для фиксации сигналов, соответствующих орбитальному периоду станции.

Сравнение космических и наземных квантовых систем

Сравнивая орбитальные и наземные квантовые установки, можно выделить несколько ключевых преимуществ космоса.

Скорость движения: орбитальные платформы создают модуляции, невозможные на Земле.
Объём источника спинов: геоэлектроны обеспечивают несравнимо большую плотность данных.
Фоновые помехи: за пределами атмосферы меньше тепловых и магнитных шумов.

Наземные установки при этом остаются удобными для калибровки и предварительных испытаний. Однако именно сочетание орбитальных и наземных датчиков делает систему SQUIRE по-настоящему уникальной.

Плюсы и минусы космической квантовой сенсорики

Преимущества орбитальных сенсоров очевидны, но у них есть и ограничения.

Плюсы:

Высокая чувствительность и возможность модуляции сигналов.
Минимизация земных шумов.
Потенциал интеграции с глобальными наблюдательными сетями.

Минусы:

Сложность технического обслуживания.
Высокие затраты на запуск и поддержку миссий.
Повышенные риски из-за радиации и вибраций.

Тем не менее, плюсы значительно перевешивают минусы, особенно в долгосрочной перспективе.

Расширение сети "космос — Земля"

Следующий шаг SQUIRE — объединение космических и наземных датчиков в единую сеть. Это позволит синхронно фиксировать данные и значительно улучшить точность измерений. Такая структура открывает путь к новым направлениям исследований: от поиска аксионов и кандидатов в тёмную материю до проверки симметрии CPT.

"Мы стремимся создать квантовую сенсорную систему, охватывающую Землю и орбиту", — говорится в заявлении разработчиков.

Советы по развитию космических квантовых технологий

Инвестировать в материалы с повышенной радиационной стойкостью.
Разрабатывать автономные системы коррекции и самокалибровки.
Поддерживать сотрудничество между лабораториями и космическими агентствами для объединения данных.

Эти шаги помогут ускорить переход от экспериментальных моделей к реальным орбитальным миссиям.