26 окт 2023 3 043

LIGO превзошла квантовый предел

В 2015 году история науки обогатилась первым прямым обнаружением гравитационных волн, создаваемых черными дырами, благодаря лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). С тех пор LIGO и его европейский партнер, детектор Virgo, обнаружили десятки слияний черных дыр и нейтронных звезд. При этом LIGO способна измерять растяжение и сжатие пространства-времени в масштабах, миллиарды раз меньших, чем толщина волоса человека.

Тем не менее, точность измерений LIGO ограничена квантовым шумом, который возникает на субатомном уровне и мешает обсерватории быть столь же чувствительной, насколько бы хотелось. Недавняя статья, опубликованная в журнале Physical Review X, сообщает о значительном прогрессе в квантовой технологии, известной как «сжатие», которая позволяет обойти это ограничение и измерить колебания в пространстве-времени во всем диапазоне гравитационных частот.

Через использование так называемого «частотно-зависимого сжатия», LIGO теперь может исследовать больший объем Вселенной и ожидается обнаружение примерно на 60% больше слияний, чем раньше. Это позволяет LIGO расширить свои возможности в изучении экзотических событий, которые сотрясают пространство и время.

Мы не можем контролировать природу, но мы можем контролировать наши детекторы

— Лиза Барсотти, старший научный сотрудник Массачусетского технологического института.

Проект LIGO включает в себя исследовательские эксперименты в Массачусетском технологическом институте, возглавляемые Мэтом Эвансом, профессором физики, и Нергисом Мавалвалой, профессором астрофизики. В его работу также вовлечены ученые и инженеры из Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института и обсерваторий-близнецов LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана.

Теперь, когда мы преодолели квантовый предел, мы можем делать гораздо больше астрономических наблюдений. LIGO использует лазеры и большие зеркала для наблюдений, но мы работаем на настолько высокой чувствительности, что нас затрудняют квантовые эффекты. Этот прогресс также имеет значение для будущих квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, микроэлектроника и фундаментальные физические эксперименты. Мы можем применить то, чему научились в LIGO, для измерения расстояний на субатомном уровне с невероятной точностью

— Ли Маккалер, доцент физики в Калифорнийском технологическом институте и один из руководителей исследования.

С 2019 года команда LIGO применяет сжатие света, чтобы улучшить чувствительность детекторов к высокочастотным гравитационным волнам. Однако сжатие света имеет свои побочные эффекты. Улучшение точности измерений на высоких частотах приводит к ухудшению в низкочастотном диапазоне.

На определенном этапе дополнительное сжатие уже не приносит значительных выгод. Мы должны были быть готовыми к тому, что должно было произойти в дальнейшем, когда мы начнем обнаруживать гравитационные волны

— Лиза Барсотти.

Теперь у LIGO появились новые оптические резонаторы, зависящие от частоты, которые позволяют команде сжимать свет различными способами в зависимости от интересующих частот гравитационных волн. Это позволяет снизить шум на всем диапазоне частот LIGO.

Раньше нам приходилось выбирать: где мы хотим, чтобы LIGO был более точным. Мы уже знали, как записать уравнения, чтобы это сработало, но раньше не было ясности, сможем ли мы воплотить это в жизнь. Это похоже на научную фантастику

— член команды LIGO, профессор физики в Калифорнийском технологическом институте Рана Адхикари.

LIGO состоит из двух рукавов длиной 4 километра, соединенных в форме буквы «L». При прохождении гравитационных волн каждый рукав LIGO растягивается и сжимается, влияя на световые лучи, которые отражаются от зеркал внутри. Это изменение интерференции световых лучей позволяет обнаружить гравитационные волны.

Внутри вакуумных трубок, в которых проходят лазерные лучи LIGO, существует квантовый шум, который вызывает непредсказуемые изменения времени фотонов в световых лучах. Маккаллер сравнивает это ситуацией с банкой, наполненной шариками.

Вообразите, что вы бросаете банку с шариками. Они все ударяются о землю в хаотичном порядке. Эти шарики создают шум. Световые фотоны подобны шарикам и попадают в зеркала LIGO в непредсказуемое время. С тех пор, как начали использоваться технологии сжатия в 2019 году, фотоны приходят более регулярно, будто они держатся за руки, а не перемещаются независимо друг от друга

— Ли Маккалер.

Таким образом частота или время попадания света на зеркала становятся более определенными, в то время как амплитуда или мощность становится менее определенной, что позволяет снизить эффекты квантового шума фотонов. Это достигается при помощи специальных кристаллов, которые преобразуют один фотон в пару связанных между собой фотонов с меньшей энергией. Кристаллы не направляют свет напрямую в лазерные лучи LIGO, а применяются для сжатия рассеянного света в вакуумных трубках LIGO. Этот свет затем взаимодействует с лазерными лучами, косвенно сжимая их.

Квантовая природа света создает проблемы, но квантовая физика также предлагает решения

— Лиза Барсотти.

Идея сжатия света возникла в конце 1970-х годов в результате теоретических исследований ученых, таких как Владимира Брагинского, Кипа Торна и Карлтона Кейвса. Эти исследования затронули вопросы ограничений квантовых измерений и коммуникаций. Джефф Кимбл, профессор физики Калифорнийского технологического института, провел одну из первых экспериментальных демонстраций сжатия света в 1986 году. Эта работа Кимбла была опубликована в журнале Engineering & Science Калифорнийского технологического института в 1993 году.

В 2002 году исследователи уже обсуждали возможность сжатия света в детекторах LIGO, а в 2008 году была проведена первая экспериментальная демонстрация этого метода на испытательном стенде длиной 40 метров в Калифорнийском технологическом институте. В 2010 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали первую версию LIGO и протестировали ее на площадке LIGO в Хэнфорде. Одновременно проводилась аналогичная работа на детекторе GEO600 в Германии, подтверждающая эффективность сжатия. После девяти лет множественных испытаний и тщательной коллективной работы LIGO в 2019 году смогла впервые применить сжатие света.

Мы столкнулись с множеством вызовов и преодолели их. Идея о сжатии возникла в конце 1970-х годов, но потребовались десятилетия, чтобы это осуществить правильно

— Шейла Дуайер, участвующая в проекте с 2008 года.

При использовании сжатия наблюдается компромисс. Перенос квантового шума из области времени или частоты в амплитуду или мощность лазерного света приводит к тому, что более мощные лазерные лучи сильнее взаимодействуют с тяжелыми зеркалами LIGO и создают нежелательный шум на более низких частотах гравитационных волн. Этот шум мешает детекторам регистрировать низкочастотные гравитационные волны.

Несмотря на то, что сжатие помогает организовать нашу систему и снизить хаос, это не означает, что мы можем преодолеть все. Мы всё еще подчиняемся законам физики

— Дхрува Ганапати, один из соавторов нового исследования и аспирант Массачусетского технологического института.

К сожалению, этот нежелательный шум становится еще более проблематичным при увеличении мощности лазеров LIGO.

Как сжатие, так и повышение мощности улучшают точность квантового восприятия до такой степени, что нас затрагивает квантовая неопределенность. И то, и другое приводит к большему взаимодействию фотонов с зеркалами, что создает шум. Увеличение мощности лазера добавляет больше фотонов, а сжатие делает их более концентрированными и, следовательно, шумными

— Ли Маккаллер.

Для решения этой проблемы исследователи LIGO используют различные методы сжатия для разных частот гравитационных волн. Новый частотно-зависимый резонатор LIGO контролирует фазовые характеристики световых волн таким образом, что квантовый шум может быть перенесен в разные свойства света в зависимости от диапазона частот гравитационных волн. Этот подход позволяет снизить нежелательный шум на более низких частотах, что дает возможность LIGO обнаруживать еще больше столкновений черных дыр и нейтронных звезд.

По словам исследователей, частотно-зависимое сжатие будет использоваться не только в LIGO, но и в детекторах гравитационных волн следующего поколения, таких как Cosmic Explorer. Это открывает новые возможности для наблюдения столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Они надеются, что с дальнейшим развитием технологий LIGO можно будет еще более значительно улучшить их чувствительность.