Невероятно: физики измерили сдвиг 40-килограммового зеркала квантовым шумом

Невероятно точные измерения позволили физикам зафиксировать тонкий квантовый эффект.
Фото Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab.

В детекторе LIGO лазерный луч путешествует в четырёхкилометровых туннелях.
Фото LIGO Collaboration .

Физики измерили смещение 40-килограммового зеркала на невероятно малую величину. Этот сдвиг был вызван квантовым шумом. Он во столько же раз меньше самого зеркала, во сколько раз это зеркало больше атома водорода (!). Это первое измерение влияния квантового шума на макроскопический объект. Оно не только блестяще подтверждает законы квантовой механики, но и открывает дорогу к более чувствительным детекторам гравитационных волн.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Аттракцион невиданной точности

Детектор LIGO – вероятно, самый точный научный инструмент, созданный человечеством. При регистрации гравитационных волн он улавливает смещения зеркал на 10-18 метров, что в тысячу раз меньше диаметра протона (!). Только так можно зафиксировать слабое гравитационное эхо столкновений чёрных дыр и нейтронных звёзд, происходящих в сотнях миллионах световых лет от Земли.

Теперь учёные пошли дальше и "научили" инструмент регистрировать в сотни раз меньшие сдвиги: порядка 10-20 метров. Именно такие колебания зеркал создаются квантовым шумом, который неизбежно присутствует в отражающемся от них лазерном луче.

"Размер атома водорода составляет 10-10 метров, поэтому это смещение зеркал по сравнению с атомом водорода – то же, что атом водорода по сравнению с нами. И мы его измерили!" – с понятной гордостью заявляет соавтор статьи Ли МакКаллер (Lee McCuller) из Массачусетского технологического института.

Это первое измерение воздействия квантового шума на объект массой в десятки килограммов. Ранее физики регистрировали его влияние только на тела, которые в миллиарды раз легче.

Как это устроено

Детектор LIGO состоит из двух одинаковых установок, смонтированных в разных концах США. Каждая из них состоит из двух четырёхкилометровых туннелей, образующих подобие буквы L. В концах этих туннелей расположены зеркала, между которыми путешествует луч лазера.

Когда на Землю приходит гравитационная волна, она заставляет зеркала колебаться. Из-за этого длина пути лазерного луча меняется. Это изменение и фиксирует детектор.

Идея звучит очень просто, но её воплощение потребовало от разработчиков настоящих чудес. Чтобы "выловить" в потоке шумов смещение на 10-18 метров, необходимо учитывать даже тепловое движение молекул зеркала (!). Теперь же исследователи выделили ещё более тонкий эффект, связанный с законами квантовой механики.

В детекторе LIGO лазерный луч путешествует в четырёхкилометровых туннелях.

Странный квантовый мир

Объектами размером с отдельные атомы управляют квантовые законы, которые очень отличаются от закономерностей привычного мира. Одним из самых удивительных законов квантовой физики является принцип неопределённости Гейзенберга. Он утверждает, что некоторые величины (например, координата и импульс частицы) не могут одновременно иметь абсолютно точные значения. Другими словами, некоторые вещи буквально невозможно измерить абсолютно точно: это запрещено физическими законами.

На практике это означает, что в данных любого измерительного прибора присутствует неустранимый квантовый шум. Правда, он чрезвычайно мал. Для абсолютного большинства приборов, будь то медицинский термометр или строительный дальномер, квантовый шум не имеет никакого значения: он гораздо меньше шумов, вызванных другими причинами. Даже если бы физики захотели его зарегистрировать, у них бы ничего не вышло.

Только такое тонкое устройство как LIGO позволило совершить почти невозможное: зафиксировать колебания тяжёлых объектов, вызванные квантовым шумом.

"Эти квантовые флуктуации в лазерном луче вызывают [колебания] давления излучения, которое воздействует на объект, – поясняет МакКаллер. – В нашем случае объект представляет собой 40-килограммовое зеркало, которое в миллиард раз тяжелее наноразмерных объектов, для которых другие [научные] группы измеряли этот квантовый эффект".

К слову, результат прекрасно совпал с прогнозом теории. Так что перед нами ещё одно блестящее экспериментальное подтверждение законов квантовой механики.

Отметим, что эта теория подтверждена огромным количеством самых разных экспериментов. Более того, работа всех привычных нам электронных устройств основана на квантовых законах. Так что никто не сомневается в том, что теория работает. Однако исследователи не устают проверять её всё новыми способами, надеясь, что где-нибудь прогноз всё-таки разойдётся с данными опыта, и можно будет заняться построением новой физики.

Управлять случайностью

Чтобы проверить, действительно ли они измеряют квантовый шум, авторы воспользовались устройством, которое позволяет управлять этим шумом. Эта система приводит фотоны лазерного луча в так называемое сжатое состояние.

Поясним. Принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что невозможно достичь абсолютной точности для пары физических величин. Но можно уменьшить неопределённость в одной из них за счёт увеличения неопределённости в другой.

Именно этим и занимается "квантовый сжиматель". Он уменьшает неопределённость в давлении света на зеркало за счёт увеличения неопределённости в числе фотонов. Этот эффект может быть более или менее выраженным в зависимости от настроек прибора.

Заметим, что на положение зеркал влияет только неопределённость в давлении света. Так что, меняя её, экспериментаторы регулировали вклад квантового шума в смещение зеркал.

В разных опытах исследователи устанавливали "сжиматель" на 12 различных степеней сжатия. То есть они измерили смещения зеркал при 12 разных значениях квантового шума. Сравнивая между собой результаты измерений, авторы выделили вклад этого шума и убедились, что он составляет порядка 10-20 метров, как и прогнозирует теория.

За пределом

Полученный результат можно использовать не только для экспериментальной проверки квантовой механики. Он позволяет детектору лучше выполнять свою основную работу: регистрировать гравитационные волны.

Действительно, смещения зеркал, вызванные квантовым шумом, накладываются на сдвиги, порождённые гравитационными волнами. Поэтому этот шум мешает регистрировать предельно слабые волны (слабее тех, которые детектор фиксирует чуть ли не еженедельно).

Уменьшая квантовую неопределённость в давлении света на зеркала, "сжиматель" тем самым уменьшает квантовый шум в LIGO. Экспериментаторы добились его снижения в 1,4 раза по сравнению с обычным уровнем. Как говорят специалисты, им удалось в 1,4 раза превзойти стандартный квантовый предел точности измерений.

Благодаря этому детектор сможет фиксировать космические катаклизмы на расстояниях, которые сейчас ему недоступны. А значит, у человечества появится шанс узнать о Вселенной много нового.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как чувствительность LIGO можно повысить с помощью квантовой запутанности. Также мы писали о наблюдении квантовых свойств у рекордно массивных объектов.