Съоръженията за измерване на гравитационни вълни измерват деформациите в тъканта на пространство-времето до 10 квадрилионни части от ширината на косъм - достатъчно малки, за да се доловят виртуалните частици, които се появяват и изчезват или т.нар. квантови флуктуации.
Сега съоръжението LIGO надхвърля тази квантова граница чрез "компресиране" на лазерната светлина, което ще увеличи откриването на гравитационни вълни с около 60%.
Когато изключително масивни обекти като черните дупки се сблъскват, отделената енергия е достатъчно мощна, за да предизвика вълни в самата реалност. Тези гравитационни вълни са предсказани за първи път от Алберт Айнщайн преди повече от век, но едва през 2015 г. учените най-накрая за първи път ги откриват директно.
Съоръжението, отговорно за това знаменателно откритие, е Лазерната интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO), която работи, като изпраща лазери в два дълги тунела, отразява ги от огледала и измерва как се връща светлината. Като контролира други ефекти и наблюдава много внимателно, детекторът може да усети, когато лазерният лъч се деформира дори с малка разлика - по-малка от размера на протон, което означава, че са преминали гравитационни вълни. В годините след това десетки сигнали за гравитационни вълни са засечени от LIGO и други детектори.
Но чувствителността на тези съоръжения има граница, която се диктува от самите закони на квантовата физика. Макар че вакуумът, включително в тръбите с лазерите на LIGO, обикновено да се смята за напълно празно пространство, това е невъзможно да се постигне. Квантовите флуктуации означават, че частиците постоянно се появяват, съществуват за части от секундата и след това отново изчезват. Този слаб квантов шум се намесва в наблюденията на LIGO и ги ограничава.
Сега учените от LIGO откриват и демонстрират начин за преодоляване на проблема, използвайки техника, наречена квантово компресиране. Това е свързано с принципа на неопределеността, който гласи, че колкото по-точно познавате една характеристика на даден обект, толкова по-малко точно можете да познавате други. Най-разпространеният пример е частица, която подскача в дадена област - ако можете точно да измерите нейното положение в даден момент, ще знаете по-малко за нейния импулс и обратно.
В този случай учените манипулират принципа на неопределеността, за да получат повече информация от лазерите на LIGO, променяйки две свойства на светлината - фаза и амплитуда. Специализирани кристали, добавени към тръбите по време на модернизацията през 2019 г., "компресират" фазата на светлината, така че фотоните да достигат до сензорите в по-предсказуеми срокове. Но, разбира се, това прави амплитудата по-малко сигурна, което означава, че лазерът кара огледалата да вибрират и маскира всякакви нискочестотни гравитационни вълни, които иначе би могъл да засече.
За да се избегне това, в LIGO е инсталиран нов инструмент, наречен честотно зависима компресираща кухина. Както подсказва името, тя работи чрез компресиране на различни свойства на светлината за различните честоти, за да се получи най-доброто от двата свята. За най-прецизното откриване на гравитационни вълни учените се нуждаят от по-голяма сигурност по отношение на амплитудата на ниските честоти и на фазата на високите честоти, а системата вече позволява това.
"Преди трябваше да избираме къде искаме LIGO да бъде по-прецизна", разказва Рана Адхикари (Rana Adhikari), автор на изследването. "Сега вече можем да си изядем тортата и да си я вземем. От известно време знаехме как да запишем уравненията, за да направим това, но досега не беше ясно, че можем наистина да го направим. Това е като научна фантастика."
Екипът твърди, че подобрената прецизност ще позволи на LIGO да открие около 60 % повече събития, свързани с гравитационни вълни, в сравнение с предишните изследвания. Очаква се партньорската обсерватория на LIGO Virgo, разположена в Италия, също да започне да използва технологията за честотно зависимо компресиране преди края на следващата година.
Екипът описва работата във видеото по-долу.
Dhruva Ganapathy et al, Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing (2023).
LIGO Surpasses the Quantum Limit, Caltech
______________________________________________________________________
Квантова компресия
Квантовата компресия, открита в края на 70-те години на миналия век, е метод за премахване на квантовия шум или по-конкретно за преместване на шума от едно място на друго, за да се направят по-прецизни измервания.
Терминът "компресия" се отнася до факта, че светлината може да се манипулира като балон, от който се опитваме да направим модел на животно За да направите куче или жираф, можете да държите една част от дълъг балон в малка, точно позиционирана става. Но тогава другата страна на балона се разширява до по-голям, по-малко прецизен размер. Светлината може по подобен начин да бъде компресирана, за да бъде по-прецизна в един атрибут, като нейната честота, но резултатът е, че тя става по-несигурна в друг атрибут, като нейната енергия. Това ограничение се основава на основен закон на квантовата механика, наречен принцип на неопределеността, който гласи, че не може да се знаят едновременно позицията и импулса на обектите (или честотата и силата на светлината едновременно).
