LIGO преодолевает квантовый предел⁠⁠

В 2015 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно—волновая обсерватория (LIGO) вошла в историю, когда впервые напрямую обнаружила гравитационные волны - рябь в пространстве и времени, создаваемую парой сталкивающихся черных дыр.

С тех пор LIGO и его дочерний детектор в Европе Virgo обнаружили гравитационные волны от десятков слияний черных дыр, а также от столкновений между родственным классом звездных остатков, называемых нейтронными звездами. В основе успеха LIGO лежит его способность измерять растяжение и сжатие ткани пространства-времени в масштабах, в 10 тысяч триллионов раз меньших размера человеческого волоса.

Какими бы непостижимо малыми ни были эти измерения, точность LIGO по-прежнему ограничена законами квантовой физики. В очень крошечных, субатомных масштабах пустое пространство заполнено слабым "потрескиванием" квантового шума, который мешает измерениям LIGO и ограничивает чувствительность обсерватории.

Теперь, в статье, принятой к публикации в Physical Review X, исследователи LIGO сообщают о значительном прогрессе в квантовой технологии под названием "сжатие", которая позволяет им обойти этот предел и измерить колебания в пространстве-времени во всем диапазоне гравитационных частот, обнаруженных LIGO.

Эта новая технология "частотно-зависимого сжатия", действующая в LIGO с момента возобновления ее работы в мае 2023 года, означает, что детекторы теперь могут исследовать больший объем Вселенной и, как ожидается, обнаружат примерно на 60% больше слияний, чем раньше. Это значительно повышает способность LIGO изучать экзотические события, которые сотрясают пространство и время.

"Мы не можем контролировать природу, но мы можем контролировать наши детекторы" - Лиза Барсотти, старший научный сотрудник Массачусетского технологического института.

"Теперь, когда мы превзошли этот квантовый предел , мы можем гораздо больше заниматься астрономией" - объясняет Ли Маккаллер, доцент кафедры физики Калифорнийского технологического института и один из руководителей нового исследования. "LIGO использует лазеры и большие зеркала для проведения своих наблюдений, но мы работаем на уровне чувствительности, который означает, что устройство подвержено влиянию квантовой сферы".

Полученные результаты также имеют значение для будущих квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры и другая микроэлектроника, а также для фундаментальных физических экспериментов. "Мы можем взять то, чему научились у LIGO, и применить это к задачам, требующим измерения расстояний субатомного масштаба с невероятной точностью", - говорит Маккаллер.

Законы квантовой физики диктуют, что частицы, включая фотоны, будут случайным образом появляться в пустом пространстве и вылетать из него, создавая фоновое "потрескивание" квантового шума, которое вносит уровень неопределенности в лазерные измерения LIGO. Квантовое сжатие, уходящее корнями в конец 1970-х годов, представляет собой метод подавления квантового шума, или, более конкретно, для перемещения шума из одного места в другое с целью проведения более точных измерений.

Термин "сжимание" относится к тому факту, что светом можно манипулировать, как животным из воздушного шарика. Чтобы сделать собаку или жирафа, можно зажать одну секцию длинного воздушного шарика в маленьком точно расположенном суставе. Но тогда другая сторона воздушного шара увеличится до большего, менее точного размера. Свет можно аналогичным образом сжать, чтобы он был более точным по одному признаку, такому как его частота, но в результате он становится более неопределенным по другому признаку, такому как его мощность. Это ограничение основано на фундаментальном законе квантовой механики, называемом принципом неопределенности, который гласит, что вы не можете знать одновременно положение и импульс объектов (или частоту и мощность света).

С 2019 года двойные детекторы LIGO сжимают свет таким образом, чтобы улучшить свою чувствительность к верхнему частотному диапазону гравитационных волн, которые они обнаруживают. Но точно так же, как сжатие одной стороны воздушного шара приводит к расширению другой стороны, сжатие света имеет свою цену. Сделав измерения LIGO более точными на высоких частотах, измерения стали менее точными на более низких частотах.

Источник: https://phys.org/news/2023-10-ligo-surpasses-quantum-limit.h...