Фізики обійшли стандартну квантову межу

Дослідники змогли підвищити чутливість гравітаційної антени, обійшовши одне з накладених квантовою механікою обмежень. Фундаментальні закони фізики при цьому порушені не були, вчені використовували світло ц так званому стиснутому стані. Подробиці наводяться у статті у Nature Photonics.

Фізики змогли подолати обмеження, відоме як стандартна квантова межа, при визначенні положення дзеркал всередині детектора гравітаційних хвиль LIGO. Ця установка, побудована у США, є двома перпендикулярними тунелями довжиною близько чотирьох кілометрів. У кожному з них прокладена труба, з якої відкачано повітря і якою проходить лазерний промінь. Промені лазера відбиваються від розташованих на кінцях тунелів дзеркал, а потім знову сходяться разом. За рахунок явища інтерференції промені посилюють або послаблюють одне одного, а величина ефекту залежить від пройденого променями шляху. Теоретично, такий прилад (інтерферометр) повинен зафіксувати зміну відстані між дзеркалами при проходженні через установку гравітаційної хвилі, але на практиці точність інтерферометра поки що дуже мала.

Робота LIGO з 2002 по 2010 рік дозволила фізикам та 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 у 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 стандартна квантова межа. Воно було наслідком іншої заборони (яку при цьому порушено не було), пов'язаної з принципом невизначеності Гейзенберга. Принцип невизначеності свідчить, що при одночасному вимірюванні двох величин у помилці їхніх вимірювань не може бути менше певної константи. Прикладом таких одночасних вимірювань є визначення координати й імпульсу дзеркала за допомогою відбитого фотона.

Принцип невизначеності Гейзенберга вказує на те, що зі 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 у просторі (сесну від безлічі точних вимірювань, які суперечать один одному, немає). Для обходу цього обмеження ще близько чверті століття тому було запропоновано використовувати так звані стиснуті стани світла (їх, у свою чергу, отримали в 1985 році), однак реалізувати ідею на практиці вдалося тільки нещодавно.

Стиснутий 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 у стиснутому стані. Промінь лазера, що проходить через кристал з нелінійними оптичними властивостями, зазнає спонтанного параметричного розсіяння: деякі фотони перетворюються з одного кванта на кілька заплутаних (квантово корельованих) частинок. Цей процес відіграє важливу роль у квантових обчисленнях і передачі даних за квантовими лініями, але фізики змогли пристосувати його для одержання "стиснутого світла", що дозволяє підвищити точність вимірювань.

Вчені продемонстрували, що використання квантово корельованих фотонів дозволяє зменшити похибку вимірювань до величини, яка вища передбаченого співвідношенням невизначеностей Гейзенберга рівня (бо це фундаментальний бар'єр), але менша за стандартну квантову межу, обумовлену взаємодією безлічі індивідуальних фотонів. Спростивши суть роботи, можна сказати, що заплутані частинки через зв'язки між собою поводяться більш злагоджено, ніж незалежні фотони і тому дозволяють точніше визначити положення дзеркала.

Дослідники підкреслюють, що внесені ними зміни суттєво підняли чутливість детектора гравітаційних хвиль у частотному діапазоні від 50 до 300 герц, який особливо цікавий астрофізикам. Саме в цьому діапазоні повинні, згідно з теорією, випромінюватися хвилі при злитті масивних об'єктів: нейтронних зірок або чорних дір. Пошук гравітаційних хвиль є одним з найважливіших завдань сучасної фізики, однак поки що зареєструвати їх не вдається через дуже низьку чутливість існуючої апаратури. !zn

Читайте також:

Температуру запропонували вимірювати по-новому, більш точним методом

На Великому адронному колайдері отримані найдрібніші краплі рідини

Вчені підтвердили, що розмір протона менший, ніж вважалося раніше