LIGO подолала квантову межу

Вчені досягли значного прогресу у квантовій технології, яка дозволила детекторам гравітаційних хвиль LIGO обійти квантову межу і виміряти хвилястість у просторі-часі в усьому діапазоні частот, виявлених LIGO.

Ця нова технологія, яка називається «частотно-залежне стискання», працює, використовуючи довгі трубки, щоб стискати світло різними способами залежно від частоти гравітаційних хвиль, які нас цікавлять. Це дозволяє детекторам LIGO виявляти більше злиттів чорних дір і нейтронних зірок, а також досліджувати екзотичні події, які стрясають простір і час.

«Тепер ми можемо робити набагато більше в астрономії», — каже Лі МакКаллер, доцент фізики в Каліфорнійському технологічному інституті. «Ми можемо досліджувати більший об’єм Всесвіту і виявляти приблизно на 60 відсотків більше злиттів, ніж раніше».

Результати також мають наслідки для майбутніх квантових технологій, таких як квантові комп’ютери та інша мікроелектроніка, а також для експериментів з фундаментальної фізики.

«Ми можемо взяти те, що ми дізналися від LIGO, і застосувати це до проблем, які вимагають вимірювання субатомних відстаней з неймовірною точністю», — каже МакКаллер.

Квантовий шум заважає детекторам гравітаційних хвиль LIGO

Детектори гравітаційних хвиль LIGO використовують лазери, щоб вимірювати коливання простору-часу. Однак квантовий шум, який є фундаментальною властивістю Всесвіту, може заважати цим вимірюванням.

Кожна установка LIGO складається з двох 4-кілометрових плечей, з’єднаних у формі літери «L». Лазерні промені рухаються вниз по кожному плечу, вдаряються об гігантські підвісні дзеркала, а потім повертаються туди, звідки вони вийшли. Коли гравітаційні хвилі проходять повз Землю, вони змушують плечі LIGO розтягуватися і стискатися, виштовхуючи лазерні промені з синхронізації. Це призводить до того, що світло у двох променях інтерферує один з одним у специфічний спосіб, виявляючи наявність гравітаційних хвиль.

Однак квантовий шум може змінювати синхронізацію фотонів у променях на мізерно малі величини. Це створює невизначеність у вимірюваннях LIGO, що може призвести до того, що вони пропустять слабкі гравітаційні хвилі.

Щоб подолати ці обмеження, вчені розробили технологію стискання, яка робить світло більш передбачуваним. Ця технологія працює, використовуючи спеціальні кристали, які перетворюють один фотон на пару з двох заплутаних фотонів з меншою енергією. Розсіяне світло, створене цими кристалами, потім взаємодіє з лазерними променями LIGO, щоб опосередковано стискати лазерне світло.

Стиснення світла: від ідеї до реалізації

Ідея стиснення світла виникла наприкінці 1970-х років. Дослідники думали про те, як можна використовувати квантові властивості світла для підвищення чутливості детекторів.

Перша експериментальна демонстрація стиснення світла була проведена в 1986 році. Однак для застосування цієї технології в детекторах гравітаційних хвиль знадобилося багато часу.

У 2002 році дослідники почали думати про те, як стиснути світло в LIGO. У 2008 році вони провели першу експериментальну демонстрацію цього методу на 40-метровому випробувальному стенді.

Дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили попередній проект стискача LIGO у 2010 році, який вони протестували на майданчику LIGO в Хенфорді. Паралельна робота, проведена на детекторі GEO600 в Німеччині, також переконала дослідників, що стискання працюватиме.

У 2019 році, після багатьох випробувань і ретельної командної роботи, LIGO вперше почав стискати світло. Це дозволило детекторам виявити більше гравітаційних хвиль, ніж раніше.

«Ми пройшли через багато випробувань», — розповідає Шейла Дуайєр, яка працює над проектом з 2008 року, спочатку як аспірантка в Массачусетському технологічному інституті, а потім як науковець у Ганфордській обсерваторії LIGO, починаючи з 2013 року. «Вперше про стискання задумалися наприкінці 1970-х років, але знадобилися десятиліття, щоб зробити це правильно».

Гуркіт дзеркал

Стиснення світла в детекторах гравітаційних хвиль LIGO підвищило їхню чутливість, дозволивши виявити більше подій. Однак цей успіх супроводжувався проблемою. Більш потужні лазерні промені, необхідні для стиснення, викликають гуркіт дзеркал, який маскує низькочастотні гравітаційні хвилі.

«Ми все ще пов’язані законами фізики», — каже Дхрува Ганапаті, одна з авторів дослідження. «Квантова невизначеність означає, що ми не можемо точно контролювати потужність лазерних променів, і це призводить до гуркоту».

Команда працює над розв’язання мцієї проблеми. Одним із підходів є використання нових матеріалів для дзеркал, які будуть менш чутливі до гуркоту. Інший підхід полягає в розробці нових методів стиснення, які зменшують вплив гуркоту.

«Ми знаємо, що можемо зробити це краще», — каже Лі МакКаллер, один з авторів дослідження. «Ми не зупинимося, поки не зможемо повністю подолати цю проблему».

Нагадаємо, дослідники з Массачусетського технологічного інституту розробили нову архітектуру надпровідних кубітів, яка може виконувати квантові операції з набагато більшою точністю, ніж вдавалося досягти раніше.