Лазерный мир

Ученые предлагают использовать запутанные частицы и связанные с ними квантовые эффекты для повышения точности LIGO и других детекторов гравитационных волн, работе которых сегодня мешают квантовые флуктуации вакуума, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Proposal for gravitational-wave detection beyond the standard quantum limit through EPR entanglement
In continuously monitored systems the standard quantum limit is given by the trade-off between shot noise and back-action noise. In gravitational-wave detectors, such as Advanced LIGO, both contributions can be simultaneously squeezed in a broad frequency band by injecting a spectrum of squeezed vacuum states with a frequency-dependent squeeze angle. This approach requires setting up an additional long baseline, low-loss filter cavity in a vacuum system at the detector’s site. Here, we show that the need for such a filter cavity can be eliminated, by exploiting Einstein–Podolsky–Rosen (EPR)-entangled signals and idler beams. By harnessing their mutual quantum correlations and the difference in the way each beam propagates in the interferometer, we can engineer the input signal beam to have the appropriate frequency-dependent conditional squeezing once the out-going idler beam is detected. Our proposal is appropriate for all future gravitational-wave detectors for achieving sensitivities beyond the standard quantum limit.
https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4118.html

«Детекторы LIGO способны видеть сдвиги своих зеркал на расстояния, соответствующие миллиардной доле нанометра. Точность их работы ограничивается не несовершенством приборов, а фундаментальными законами природы, квантовой природой лазерных лучей, при помощи которых определяется положение зеркал. Этот предел можно обойти, используя парадокс, придуманный Эйнштейном и коллегами в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики», — объясняет Раффаэле Фламинио (Raffaele Flaminio) из университета Токио (Япония).

Принцип неопределенности Гейзенберга — фундаментальный закон квантовой механики — ограничивает точность измерения скорости движения и положения частиц. Из-за него ученые могут точно измерить либо первый, либо второй показатель, что вносит непреодолимые искажения в результаты замеров, где требуется сверхвысокая точность.

Как рассказал РИА Новости Сергей Вятчанин, физик из МГУ и один из участников проекта, детектор LIGO уже давно подобрался к этому квантовому пределу точности, и сейчас физики пытаются преодолеть его, используя так называемый сжатый свет. Он представляет собой набор фотонов, который упорядочен таким образом, что позволяет максимально точно измерить один из двух параметров за счет невозможности узнать второй.

Когда ученые тестировали источники сжатого света на LIGO, то столкнулись с неожиданной проблемой: оказалось, что подобный прием заставляет лазеры детекторов сильнее «давить» на зеркала, в результате чего те начинают сильнее «дрожать» под ударами фотонов, что вносит новые помехи в сигнал. Уровень помех при этом понижается не на 10 децибел, как показывали опыты в лаборатории, а всего на 2,7-4 децибела.

Ицю Ма (Yiqiu Ma) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) и его коллеги придумали достаточно простой и остроумный способ решить эту проблему, подружив детектор «эйнштейновских» волн с главным «врагом» Эйнштейна при его жизни — с запутанными частицами, существование которых великий физик ошибочно считал невозможным.

Для их появления, как выяснили авторы идеи, достаточно немного изменить частоту лазера, питающего источник сжатого света. В таком случае он будет вырабатывать не один, а два потока разных, но при этом запутанных фотонов. Один из них будет иметь свойства, аналогичные тем частицам света, которые присутствуют в лазерных лучах LIGO, а второй — чуть другую частоту.

Эти небольшие различия в частоте кардинальным образом поменяют то, как второй луч лазера будет взаимодействовать с интерферометром, сердцем детектора гравитационных волн. Фактически он будет отражаться назад, а не проходить в сторону зеркал LIGO и взаимодействовать с ними. Тем не менее его флуктуации будут отражать то, как его «собрат» взаимодействует с ними за счет существования, как выражался Эйнштейн, «призрачной связи» между их частицами.

Сравнивая флуктуации и того и другого луча между собой и «вычитая» их друг из друга, можно избавиться от квантового шума и повысить точность измерений, не создавая новых типов шума на нужных для поисков гравитационных волн частотах, как в случае с обычными источниками сжатого света.

По словам Ма, даже в отсутствие других улучшений, поле обзора LIGO расширится в восемь раз при внесении подобных небольших изменений в работу его детекторов. Это заметно повысит шансы на обнаружение других всплесков гравитационных волн, кроме тех трех, которые были найдены в ходе первого сеанса работы детектора в 2015 году.

Источник: https://ria.ru/science/20170516/1494419465.html