Фізики змогли подолати обмеження, відоме як стандартний квантовий межа

Дослідники змогли підвищити чутливість гравітаційної антени, обійшовши одне з накладаються квантової механікою обмежень. Фундаментальні закони фізики при цьому порушені не були, вчені використовували світло в так званому стислому стані. Подробиці наводяться в статті в Nature Photonics.

Фізики змогли подолати обмеження, відоме як стандартний квантовий межа, при визначенні положення дзеркал всередині детектора гравітаційних хвиль LIGO. Ця установка, побудована в США, являє собою два перпендикулярних тунелю довжиною близько чотирьох кілометрів. У кожному з них прокладена труба, з якої відкачано повітря і по якій проходить лазерний промінь. Промені лазерів відбиваються від розташованих на кінцях тунелів дзеркал, а потім знову сходяться разом. За рахунок явища інтерференції промені або посилюють або послаблюють одне одного, а величина ефекту залежить від пройденого променями шляху.

Теоретично, такий прилад (інтерферометр) повинен зафіксувати зміну відстані між дзеркалами при проході через установку гравітаційної хвилі, але на практиці точність інтерферометра поки що дуже мала.

Робота LIGO з 2002 по 2010 рік дозволила фізикам і інженерам з’ясувати те, яким чином можна істотно поліпшити установку. Зараз її перебудовують з урахуванням нових пропозицій, тому міжнародна група вчених (включає співробітників фізфаку МДУ і Інституту прикладної фізики в Нижньому Новгороді) провела експеримент з підвищення чутливості одного з детекторів LIGO вище одного з квантових бар’єрів і представила його результати.

Вченим вдалося подолати обмеження, відоме як стандартний квантовий межа. Воно було наслідком іншого заборони (які при цьому порушений не був), пов’язаного з принципом невизначеності Гейзенберга. Принцип невизначеності свідчить, що при одночасному вимірюванні двох величин твір помилок їх вимірювань не може бути менше певної константи. Прикладом таких одночасних вимірювань є визначення координати і імпульсу дзеркала за допомогою відбитого фотона.

Принцип невизначеності Гейзенберга вказує на те, що із зростанням точності визначення координати різко падає точність визначення швидкості. При опроміненні дзеркала безліччю фотонів похибки у вимірюванні швидкості призводять до того, що стає складніше визначити його зміщення і, як наслідок, положення в просторі (толку від безлічі точних вимірювань, які суперечать один одному, трохи).

Для обходу цього обмеження ще близько чверті століття тому було запропоновано використовувати так звані стислі стану світла (їх, у свою чергу, отримали в 1985 році), однак реалізувати ідею на практиці вдалося тільки нещодавно.

Стислий стан світу характеризується тим, що розкид (дисперсія) одного з параметрів між фотонами зведений до мінімуму. Більшість джерел світла, включаючи лазери, таке випромінювання створити не здатні, однак за допомогою спеціальних кристалів фізики навчилися отримувати світло в стислому стані. Промінь лазера, що проходить через кристал з нелінійними оптичними властивостями, піддається спонтанного параметричного розсіяння: деякі фотони перетворюються з одного кванта в пару заплутаних (квантово корельованих) частинок.

Цей процес відіграє важливу роль у квантових обчисленнях і передачі даних по квантовим лініях, але фізики змогли пристосувати його для одержання стиснутого світла», що дозволяє підвищити точність вимірювань.

Учені продемонстрували, що

використання квантово корельованих фотонів дозволяє зменшити похибку вимірювань до величини, яка вище передбаченого співвідношенням невизначеностей Гейзенберга рівня (так як це фундаментальний бар’єр), але менше стандартного квантового межі, обумовленого взаємодією безлічі індивідуальних фотонів. Спростивши суть роботи, можна сказати, що заплутані частинки через зв’язків між собою ведуть себе більш злагоджено, ніж незалежні фотони і тому дозволяють точніше визначити положення дзеркала.

Дослідники підкреслюють, що

внесені ними зміни суттєво підняли чутливість детектора гравітаційних хвиль в частотному діапазоні від 50 до 300 герц, який особливо цікавий астрофізикам. Саме в цьому діапазоні повинні, згідно теорії, променіти хвилі при злитті масивних об’єктів: нейтронних зірок або чорних дір. Пошук гравітаційних хвиль є однією з найважливіших задач сучасної фізики, однак поки що зареєструвати їх не вдається з-за дуже низької чутливості існуючої апаратури.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *