Kvantudsving kan jiggle objekter på den menneskelige skala

Universet, set gennem kvantemekanikkens linse, er en støjende, knitrende rum, hvor partikler konstant blinker ind og ud af eksistensen, skabe en baggrund af kvantestøj, hvis virkninger normalt er alt for subtile til at opdage i hverdagsgenstande.

Nu for første gang, et hold ledet af forskere ved MIT LIGO Laboratory har målt virkningerne af kvanteudsving på objekter i menneskelig skala. I et papir udgivet i Natur , forskerne rapporterer at observere, at kvanteudsving, så små de end måtte være, ikke desto mindre kan "sparke" et objekt så stort som de 40 kilo store spejle fra National Science Foundation's Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), får dem til at bevæge sig i en lille grad, som holdet kunne måle.

Det viser sig, at kvantestøjen i LIGOs detektorer er nok til at flytte de store spejle med 10 ^-20 meter - en forskydning, der blev forudsagt af kvantemekanikken for et objekt af denne størrelse, men det var aldrig før blevet målt.

"Et brintatom er 10 ^-10 meter, så denne forskydning af spejlene er til et brintatom, hvad et brintatom er for os – og vi målte det, " siger Lee McCuller, en forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

Forskerne brugte et specielt instrument, som de designede, kaldet en kvantepresser, at "manipulere detektorens kvantestøj og reducere dens spark til spejlene, på en måde, der i sidste ende kunne forbedre LIGOs følsomhed til at detektere gravitationsbølger, " forklarer Haocun Yu, en fysikstuderende på MIT.

"Det særlige ved dette eksperiment er, at vi har set kvanteeffekter på noget så stort som et menneske, " siger Nergis Mavalvala, marmorprofessoren og associeret leder af fysikafdelingen på MIT. "Også os, hvert nanosekund af vores eksistens, bliver sparket rundt, stødt af disse kvanteudsving. Det er bare, at rysten i vores eksistens, vores termiske energi, er for stor til at disse kvantevakuumudsving kan påvirke vores bevægelse målbart. Med LIGOs spejle, vi har gjort alt dette arbejde for at isolere dem fra termisk drevet bevægelse og andre kræfter, så de nu stadig er nok til at blive sparket rundt af kvanteudsving og universets uhyggelige popcorn."

Yu, Mavalvala, og McCuller er medforfattere til det nye papir, sammen med kandidatstuderende Maggie Tse og hovedforsker Lisa Barsotti ved MIT, sammen med andre medlemmer af LIGO Scientific Collaboration.

Et kvantespark

LIGO er designet til at detektere gravitationsbølger, der ankommer til Jorden fra katastrofale kilder millioner til milliarder af lysår væk. Den består af to tvillingedetektorer, en i Hanford, Washington, og den anden i Livingston, Louisiana. Hver detektor er et L-formet interferometer, der består af to 4 kilometer lange tunneler, for enden af ​​det hænger et 40 kilos spejl.

For at detektere en gravitationsbølge, en laser placeret ved indgangen til LIGO -interferometeret sender en lysstråle ned i hver detektortunnel, hvor det reflekteres fra spejlet i den fjerne ende, at komme tilbage til sit udgangspunkt. I fravær af en gravitationsbølge, laserne skal vende tilbage på samme nøjagtige tidspunkt. Hvis en gravitationsbølge passerer igennem, det ville kortvarigt forstyrre spejlenes position, og derfor lasernes ankomsttider.

Meget er blevet gjort for at beskytte interferometrene mod ekstern støj, så detektorerne har en bedre chance for at udvælge de overordentlig subtile forstyrrelser, der er skabt af en indkommende gravitationsbølge.

Mavalvala og hendes kolleger spekulerede på, om LIGO også kunne være følsom nok til, at instrumentet endda kunne føle mere subtile effekter, såsom kvanteudsving i selve interferometeret, og specifikt, kvantestøj genereret blandt fotonerne i LIGOs laser.

"Denne kvanteudsving i laserlyset kan forårsage et strålingstryk, der faktisk kan sparke et objekt, " tilføjer McCuller. "Objektet i vores tilfælde er et 40 kilo spejl, som er en milliard gange tungere end de objekter i nanoskala, som andre grupper har målt denne kvanteeffekt i."

Støjpresser

For at se, om de kunne måle bevægelsen af ​​LIGOs massive spejle som reaktion på små kvanteudsving, holdet brugte et instrument, de for nylig byggede som en tilføjelse til interferometrene, som de kalder en kvantepresser. Med squeezer, forskere kan justere egenskaberne af kvantestøjen i LIGO's interferometer.

Holdet målte først den samlede støj i LIGO's interferometre, herunder baggrunds kvantestøj, såvel som "klassisk" støj, eller forstyrrelser genereret fra normal, hverdagens vibrationer. De tændte derefter squeezeren og indstillede den til en specifik tilstand, der specifikt ændrede kvantestøjens egenskaber. De var derefter i stand til at trække den klassiske støj fra under dataanalyse, at isolere den rent kvantestøj i interferometeret. Da detektoren konstant overvåger forskydningen af ​​spejlene til enhver indkommende støj, forskerne var i stand til at observere, at kvantestøjen alene var nok til at forskyde spejlene, med 10 ^-20 meter.

Mavalvala bemærker, at målingen stemmer nøjagtigt overens med, hvad kvantemekanikken forudsiger. "Men alligevel er det bemærkelsesværdigt at se det blive bekræftet i noget så stort, " hun siger.

Går man et skridt videre, holdet spekulerede på, om de kunne manipulere kvantepresseren for at reducere kvantestøjen i interferometeret. Squeezeren er designet sådan, at når den indstilles til en bestemt tilstand, det "klemmer" visse egenskaber af kvantestøjen, I dette tilfælde, fase og amplitude. Faseudsving kan opfattes som opstået fra kvanteusikkerheden i lysets rejsetid, mens amplitudefluktuationer giver kvantespark til spejloverfladen.

"Vi tænker på kvantestøjen som fordelt langs forskellige akser, og vi forsøger at reducere støjen i et bestemt aspekt, " siger Yu.

Når squeezeren er indstillet til en bestemt tilstand, det kan for eksempel klemme, eller indsnævre usikkerheden i fase, samtidig med at den distanceres, eller øge usikkerheden i amplitude. At klemme kvantestøjen i forskellige vinkler ville producere forskellige forhold mellem fase og amplitudestøj i LIGO's detektorer.

Gruppen spekulerede på, om en ændring af vinklen på denne klemning ville skabe kvantekorrelationer mellem LIGOs lasere og dens spejle, på en måde, som de også kunne måle. Tester deres idé, holdet indstillede squeezeren til 12 forskellige vinkler og fandt ud af, at Ja, de kunne måle korrelationer mellem de forskellige fordelinger af kvantestøj i laseren og spejlenes bevægelse.

Gennem disse kvantekorrelationer, holdet var i stand til at presse kvantestøj, og den resulterende spejlforskydning, ned til 70 procent af sit normale niveau. Denne måling, I øvrigt, er under det, der kaldes standard kvantegrænsen, hvilken, i kvantemekanik, siger, at et givet antal fotoner, eller, i LIGOs tilfælde, et vist niveau af lasereffekt, forventes at generere et bestemt minimum af kvantesvingninger, der ville generere et specifikt "spark" til ethvert objekt på deres vej.

Ved at bruge klemt lys til at reducere kvantestøjen i LIGO-målingen, holdet har lavet en måling mere præcis end standard kvantegrænsen, reducere den støj på en måde, der i sidste ende vil hjælpe LIGO med at opdage svagere, fjernere kilder til gravitationsbølger.