Читаем без скачивания Млечный Путь, 21 век, No 4(45), 2023 - Изя Шлосберг

Эта диаграмма иллюстрирует неотъемлемое соотношение неопределенности между положением и импульсом. Когда одно известно более точно, другое по своей сути менее вероятно для точного познания.

Гораздо менее ценным, чем эти традиционные соотношения неопределенностей, является то, что очень важно для детектора LIGO, поскольку оно имеет отношение к фотонам, которые движутся вперед и назад, снова и снова, через плечи интерферометра: соотношение неопределенности между амплитудой и фаза светового сигнала. Интересная аналогия, особенно актуальная в эпоху после Covid-19: когда вы совершаете видеозвонок с другим человеком, учитывая ограниченную общую пропускную способность.

Имея лишь ограниченный объем общих данных, которые могут поместиться в конвейер, приходится идти на компромисс, но этот компромисс позволяет вам выбирать между: хотите ли вы одновременно аудио и видео среднего качества, хотите ли вы получить высококачественный звук за счет видео худшего качества, или хотите ли вы получить видео хорошего качества за счет прерывистого и нерегулярного звука. Аналогично, с амплитудой и фазой сигнала существует общая сумма "внутренней неопределенности", которую невозможно устранить из обоих этих компонентов сигнала вместе взятых, независимо от того, какой физический трюк вы используете.

Но с помощью техники сжатых квантовых состояний вы можете найти компромисс между степенью неопределенности, которую вы допускаете в каждой "амплитудной" и "фазовой" точности по отдельности, чтобы извлечь максимально возможный сигнал из ваших данных в попытке обнаружить гравитационные волны. Точно так же, как при ограниченной полосе пропускания видеовызов должен выбирать между хорошим качеством звука и плавным качеством видео, так и импульсу света будет присуще противоречие между знанием его амплитуды и чрезвычайно точным измерением его фазы.

Преодоление ограничений Гейзенберга по умолчанию

Вместо того, чтобы позволить природе сделать выбор (то есть выбрать ваше оборудование "по умолчанию"), исследователи, которые проектируют и работают с оптическими системами, лежащими в основе LIGO, - производят лазерные импульсы, отражают их от зеркал и рекомбинируют их. чтобы создать интерференционную картину - начали оптимизировать этот компромисс, чтобы максимизировать количество информации, которую можно извлечь из сигнала гравитационных волн.

Благодаря еще большим усилиям, средства LIGO теперь использовали так называемое частотно-зависимое квантовое сжатие, при котором большая неопределенность амплитуды выбирается на более поздних этапах слияния, а большая неопределенность фазы выбирается на более ранних этапах слияния, чтобы улучшить на чувствительности "по умолчанию", которая ранее достигалась, когда природа принимала это решение. В результате, примечательно, чувствительность обнаружения LIGO теперь улучшилась исключительно благодаря достижениям в области квантового сжатия, на целых 65%: это позволяет нам обнаруживать слияния на больших расстояниях, чем это было бы возможно в противном случае, а также видеть и характеризовать сигналы более слабой амплитуды (например, меньшей массы или большего радиуса), чем это было бы возможно в противном случае. Кроме того, это улучшение должно позволить лучше определять характеристики источников, помогая ученым определить свойства (такие как масса и расстояние) для любых наблюдаемых слияний.

Одна из проблем этого метода заключается в том, что зеркала, отражающие лазерный свет LIGO, сами по себе являются источником квантового шума: даже при криогенных температурах и с самым чистым вакуумом внутри лазерных рукавов, когда-либо созданных на Земле. На высоких частотах знание амплитуды сигнала менее важно, поскольку именно знание фаз (то есть времени прихода света в двух плечах относительно друг друга) помогает улучшить чувствительность LIGO. Однако "выжимание" максимума из фаз на высоких частотах приводит к тому, что сами зеркала вибрируют вперед и назад: явление, известное как "гул" внутри зеркал LIGO.

Однако на более низких частотах свет можно сжать иным способом: оптимизировать амплитуду волны (уменьшив этот "гул") за счет менее известной фазы, что приемлемо и предпочтительно, поскольку Низкочастотная фазовая характеристика этих источников менее важна, чем фазовые сигналы высокой частоты, для обучения нас свойствам этих источников. Однако оптимизация амплитуды на низких частотах помогает нам идентифицировать сигнал раньше, чем когда-либо, что дает нам больше данных для работы. Видео, объясняющее частотно-зависимое квантовое сжатие LIGO, включено сюда, чтобы дополнительно проиллюстрировать, что происходит. С 2019 года LIGO использовала технику квантового сжатия, применяя ее к свету, путешествующему в их полостях, но не смогла контролировать это "сжатие" в частотно-зависимой зависимости. У вас будет квантовый шум в фазе (или частоте) вашего лазерного луча, который влияет на то, насколько хорошо вы сможете измерить время сигналов гравитационных волн, к которым чувствителен LIGO. Точно так же у вас также будет квантовый шум в амплитуде (или мощности) лазерного луча, с большей неопределенностью амплитуды, влияющей на движение ваших зеркал, что конкретно ограничивает чувствительность LIGO к низкочастотным гравитационным волнам. Разработав и внедрив новый частотно-зависимый сжимающий резонатор, LIGO теперь пользуется лучшим из обоих миров: высокие частоты имеют большую фазовую чувствительность, а низкие частоты имеют большую амплитудную чувствительность.

Как выразился профессор Рана Адхикари из Калифорнийского технологического института: "Раньше нам приходилось выбирать, где мы хотим, чтобы LIGO был более точным. Теперь мы можем съесть наш торт и получить его тоже. Мы уже давно знали, как записать уравнения, чтобы это работало, но до сих пор не было ясно, сможем ли мы действительно заставить это работать. Это похоже на научную фантастику".

Несмотря на то, что LIGO - это не просто макроскопическое предприятие, а огромное - в конце концов, его двойные лазерные лучи имеют длину 4 километра каждое - природа того, как он работает, гарантирует, что даже крошечные квантовые эффекты важны настолько, насколько важны его точные возможности. обеспокоенный. Хотя LIGO начала собирать свет для своего третьего (O3) запуска данных в 2019 и 2020 годах, она была закрыта для обновления перед новым запуском наблюдений. Начав свой четвертый (O4) запуск в мае 2023 года с этими новыми частотно-зависимыми резонаторами для сжатия света, двойные детекторы LIGO будут работать до начала 2025 года, а в начале 2025 года к ним присоединится модернизированный детектор Virgo (также использующий сжатый свет). всего несколько месяцев.

Вы можете не думать о квантовой неопределенности как о фундаментальном ограничении, когда речь идет об астрономии, но в области гравитационных волн наши детекторы настолько точны, что каждое незначительное улучшение может привести к значительному улучшению, когда дело доходит до исследования далеких земель. и слабая Вселенная. Как выразилась Лиза Барсотти из Массачусетского технологического института: "Мы не можем контролировать природу, но мы можем контролировать наши детекторы... Квантовая природа света создает проблему, но квантовая физика также дает нам решение". Присоединившись к LIGO и Virgo в поисках гравитационных волн, обсерватория гравитационных волн KAGRA добавляет к этому четвертому детектору и, как и Virgo, вскоре также будет использовать частотно-зависимое квантовое сжатие. Конечным результатом