В течение почти столетия гравитационные волны были неподтвержденным предсказанием общей теории относительности. Колебания пространства-времени, вероятно, будут настолько тонкими, что их нельзя будет обнаружить даже с помощью самых современных детекторов, таких как лазерные интерферометры LIGO и GEO 600. Недавно ученые физического факультета Варшавского университета продемонстрировали, что Чувствительность детекторов можно повысить с помощью квантовых эффектов, связанных со светом.
Теперь варшавские физики и исследователи из Ганноверского университета показали, что экспериментально доступные сжатые состояния оптимальны для использования квантовых свойств для повышения точности измерений.«Наше открытие применимо ко всей квантовой метрологии.
Однако практические приложения особенно актуальны для физиков, ищущих гравитационные волны, поскольку они пытаются производить самые экстремальные измерения расстояний», — отмечает д-р Рафал Демкович-Добжански из Варшавского университета. .Общая теория относительности предсказывает, что гравитационные волны могут излучаться двойными звездными системами, состоящими из чрезвычайно плотных тел, таких как нейтронные звезды или черные дыры. Однако даже для таких экзотических объектов рябь, вызванная пространством-временем, чрезвычайно тонка.
Гравитационная волна, проходящая через Землю, должна незначительно влиять на размеры объектов, поэтому ее можно было бы обнаружить, проведя чрезвычайно точные измерения расстояний. Достаточная точность может быть достигнута только с помощью интерферометров — устройств, использующих лазерные лучи и явление интерференции волн.
Типичный детектор гравитационных волн представляет собой интерферометр с двумя перпендикулярными плечами. Луч лазерного света проходит вдоль каждого плеча, и два луча интерферируют друг с другом, создавая характерный узор интерференционных полос. Если гравитационная волна, проходящая через устройство, немного изменит длину одного из плеч по отношению к другому, пики и впадины световых волн от двух лучей будут смещаться друг относительно друга, изменяя расположение полос.Построенный в Америке LIGO, самый чувствительный на сегодняшний день детектор гравитационных волн, представляет собой систему из трех интерферометров с длинами плеч от 2 до 4 км.
Несмотря на такие огромные размеры рукавов, даже самые мощные гравитационные волны изменяют свою длину максимум на одну миллиардную миллиардной доли метра (0,000,000,000,000,000,001 м). LIGO работает на границе обнаружения гравитационных волн; однако физики по-прежнему не могут их обнаружить, поскольку сигналы, свидетельствующие о прохождении гравитационных волн, теряются в фоновом шуме. Можно повысить точность измерений, используя квантовые свойства фотонов в лазерных лучах.Обычные источники света излучают хаотический свет с фотонами, движущимися с разными длинами волн и в разных направлениях.
В этом случае поведение фотонов можно сравнить с движением людей на городской площади — каждый движется, куда хочет, в своем собственном темпе. Лазерный свет гораздо более упорядочен: длина волны каждого фотона одинакова, колеблется в той же фазе и движется примерно в том же направлении, что и другие. Такой свет больше напоминает колонну солдат, шагающих в одном направлении.Однако аналогия между лазерным лучом и марширующей колонной солдат несколько вводит в заблуждение.
Каждый фотон в лазерном луче ведет себя так, как если бы он был сам по себе — он не «замечает» ни одного другого. Это как если бы кто-то — невменяемый капрал или лазерный излучатель — сформировал колонну из опытно обученных солдат-фотонов и приказал им идти прямо вперед, не осознавая, что все они полностью глухие и слепые. Каждый продолжает идти вперед, даже если безумный капрал остался далеко позади.
«В настоящей марширующей колонне отдельные солдаты хорошо осведомлены о своих коллегах и постоянно корректируют свои движения, чтобы соответствовать движениям своих соседних солдат. Они могут даже не делать этого сознательно, но они, безусловно, делают это, поскольку это информация о «Чтобы фотоны вели себя одинаково, мы должны использовать квантовые эффекты, такие как квантовая запутанность», — объясняет доктор Демкович-Добжански.В 2011 году для повышения чувствительности измерений ученые, работающие на европейском интерферометре GEO 600 недалеко от Ганновера, использовали лазерный свет, помещенный в специально подготовленное квантовое состояние, известное как сжатый вакуум. Электрические и магнитные поля могут существовать в физическом вакууме, хотя их средние значения равны нулю.
В квантовой оптике невозможно проводить точные одновременные измерения электрического и магнитного полей световых волн. Значения подчиняются принципу неопределенности: чем лучше мы понимаем одно, тем меньше мы знаем другое.
Состояние сжатого вакуума также имеет нулевые средние значения электрического и магнитного полей; однако он построен таким образом, что мы можем проводить точные измерения значения одного из полей (за счет другого). Использование квантово-коррелированных фотонов дало прибл.
Повышение на 30% чувствительности интерферометра GEO 600 к смещению зеркал на концах его плеч.Такое достижение, конечно, только разжигает аппетит ученых к большему: может ли использование все более сложных квантовых состояний света с многочисленными фотонами проложить путь для дальнейшего улучшения чувствительности?
Физики из Варшавского университета смогли ответить на этот вопрос, проанализировав его теоретически. Ключевым элементом анализа был тот факт, что ок. 30% фотонов теряется в детекторах гравитационных волн. В обычном лазерном луче, когда часть фотонов теряется, луч теряет интенсивность, но другие его свойства остаются неизменными.
В квантовых состояниях, включающих большое количество фотонов, потеря одного означает, что квантовые корреляции между другими разрушаются. В этой ситуации сделать сложные квантовые состояния достаточно эластичными для проведения более точных измерений становится чрезвычайно сложно.
«Все говорит о том, что физики-экспериментаторы достигли оптимального уровня использования квантовых состояний для увеличения чувствительности интерферометров с использованием квантовых явлений. Даже если мы попытаемся использовать более тонкие квантовые состояния света, мы не сможем выжать лучшие результаты из оборудования, которое в настоящее время находится у нас. утилизация », — заключает д-р Демкович-Добжански.
Результаты, полученные группой физиков из Варшавского и Ганноверского университетов, имеют важное практическое применение. Они означают, что нет необходимости создавать более тонкие квантовые состояния, чем состояния сжатого света, и улучшенная чувствительность детекторов гравитационных волн станет возможной в основном благодаря изменениям геометрии прохождения световых лучей через интерферометры, уменьшению потерь или за счет значительно увеличивая длину рук.
В последнем случае естественным направлением развития будет создание детекторов в космосе.