Вселената, видяна през обектива на квантовата механика, е шумно, пращене пространство, където частиците мигат постоянно и извън съществуването, създавайки фон на квантов шум, чиито ефекти обикновено са твърде фини, за да се открият в ежедневните обекти.

колебания

Сега за първи път екип, ръководен от изследователи от MIT LIGO Laboratory, измерва ефектите от квантовите колебания върху обекти в човешкия мащаб. В статия, публикувана през Природата, изследователите съобщават, че наблюдават, че квантовите колебания, колкото и малки да са те, могат въпреки това да "изритат" обект, голям колкото 40-килограмовите огледала на обсерваторията за гравитационни вълни (LIGO) на Националната научна фондация, карайки ги да се движат от малка степен, която екипът успя да измери.

Оказва се, че квантовият шум в детекторите на LIGO е достатъчен, за да премести големите огледала с 10 -20 метра - изместване, което беше предсказано от квантовата механика за обект с такъв размер, но което никога преди не беше измерено.

"Водородният атом е 10-10 метра, така че това изместване на огледалата е за водородния атом това, което е водородният атом за нас - и ние го измерихме", казва Лий Маккълър, изследовател от Института за астрофизика и космос на MIT Изследвания.

Изследователите са използвали специален инструмент, който са проектирали, наречен квантово изстискване, за да "манипулира квантовия шум на детектора и да намали ритниците му към огледалата, по начин, който в крайна сметка може да подобри чувствителността на LIGO при откриване на гравитационни вълни", обяснява Хаокун Ю, аспирант по физика в MIT.

„Особеното в този експеримент е, че сме виждали квантови ефекти върху нещо толкова голямо, колкото човек“, казва Нергис Мавалвала, професор по мрамор и асоцииран ръководител на катедрата по физика в MIT. "Ние също, всяка наносекунда от нашето съществуване, биваме ритани, подтискани от тези квантови колебания. Просто трептенето на нашето съществуване, нашата топлинна енергия, е твърде голямо, за да могат тези квантови вакуумни колебания да повлияят на нашето движение измеримо. С LIGO's огледала, направихме цялата тази работа, за да ги изолираме от термично задвижвано движение и други сили, така че сега те все още са достатъчни, за да бъдат изритани от квантовите колебания и тази призрачна пуканка на Вселената. "

Yu, Mavalvala и McCuller са съавтори на новия доклад, заедно със студентката Маги Tse и главния учен Lisa Barsotti в MIT, заедно с други членове на LIGO Scientific Collaboration.

Квантов удар

LIGO е предназначен за откриване на гравитационни вълни, пристигащи на Земята от катаклизмични източници на милиони до милиарди светлинни години. Състои се от два детектора близнаци, единият в Ханфорд, Вашингтон, а другият в Ливингстън, Луизиана. Всеки детектор е L-образен интерферометър, съставен от два 4-километрови тунела, в края на които виси 40-килограмово огледало.

За да открие гравитационна вълна, лазер, разположен на входа на LIGO интерферометъра, изпраща лъч светлина надолу по всеки тунел на детектора, където той отразява от огледалото в далечния край, за да пристигне обратно в началната си точка. При липса на гравитационна вълна лазерите трябва да се върнат по едно и също точно време. Ако гравитационна вълна премине през нея, това би нарушило за кратко положението на огледалата и следователно времето на пристигане на лазерите.

Много е направено за предпазване на интерферометрите от външен шум, така че детекторите да имат по-голям шанс да открият изключително фините смущения, създадени от входяща гравитационна вълна.

Mavalvala и нейните колеги се чудеха дали LIGO също може да бъде достатъчно чувствителен, за да може инструментът дори да усети по-фини ефекти, като квантови колебания в самия интерферометър, и по-специално, квантов шум, генериран сред фотоните в лазера на LIGO.

„Това квантово колебание в лазерната светлина може да предизвика радиационно налягане, което всъщност може да изрита даден обект“, добавя Маккълър. "Обектът в нашия случай е 40-килограмово огледало, което е милиард пъти по-тежко от наномащабните обекти, в които други групи са измерили този квантов ефект."

Шумоизстисквачка

За да видят дали могат да измерват движението на масивните огледала на LIGO в отговор на малки квантови колебания, екипът използва инструмент, който наскоро са построили като добавка към интерферометрите, които те наричат ​​квантово изстискване. С помощта на изстисквача учените могат да настроят свойствата на квантовия шум в интерферометъра на LIGO.

Екипът първо измери общия шум в интерферометрите на LIGO, включително фоновия квантов шум, както и "класически" шум или смущения, генерирани от нормални ежедневни вибрации. След това включиха изстисквача и го настроиха в определено състояние, което променяше специфично свойствата на квантовия шум. След това те успяха да извадят класическия шум по време на анализа на данните, за да изолират чисто квантовия шум в интерферометъра. Тъй като детекторът постоянно следи изместването на огледалата към всеки входящ шум, изследователите успяха да забележат, че само квантовият шум е достатъчен, за да измести огледалата с 10 -20 метра.

Мавалвала отбелязва, че измерването съвпада точно с това, което предсказва квантовата механика. "Но все пак е забележително да го потвърдим в нещо толкова голямо", казва тя.

Отивайки стъпка по-нататък, екипът се зачуди дали биха могли да манипулират квантовата преса, за да намалят квантовия шум в интерферометъра. Изстисквачът е проектиран така, че когато се зададе в определено състояние, той "изстисква" определени свойства на квантовия шум, в този случай, фаза и амплитуда. Фазовите колебания могат да се разглеждат като произтичащи от квантовата несигурност във времето на пътуване на светлината, докато амплитудните колебания придават квантови ритници към огледалната повърхност.

„Ние мислим за квантовия шум като за разпределен по различни оси и се опитваме да намалим шума в някакъв специфичен аспект“, казва Ю.

Когато изстисквачът е настроен на определено състояние, той може например да изстиска или да стесни несигурността във фаза, като същевременно се разтяга или увеличава несигурността в амплитудата. Изстискването на квантовия шум под различни ъгли би довело до различни съотношения на фазовия и амплитудния шум в детекторите на LIGO.

Групата се чудеше дали промяната на ъгъла на това изстискване ще създаде квантови корелации между лазерите на LIGO и неговите огледала, по начин, който те също могат да измерват. Тествайки идеята си, екипът настрои изстисквача на 12 различни ъгъла и установи, че всъщност те могат да измерват корелациите между различните разпределения на квантовия шум в лазера и движението на огледалата.

Чрез тези квантови корелации екипът успя да изстиска квантовия шум и произтичащото от него огледално изместване до 70 процента от нормалното си ниво. Между другото, това измерване е под това, което се нарича стандартна квантова граница, която в квантовата механика заявява, че даден брой фотони или, в случая на LIGO, определено ниво на лазерна мощност, се очаква да генерира определен минимум от квантовата колебания, които биха генерирали специфичен „ритник“ към всеки обект по пътя им.

Използвайки изцедена светлина за намаляване на квантовия шум при измерването на LIGO, екипът направи измерване по-точно от стандартната квантова граница, намалявайки този шум по начин, който в крайна сметка ще помогне на LIGO да открие по-слаби, по-отдалечени източници на гравитационни вълни.