Kvanteeksperiment på bordplade kunne detektere gravitationsbølger

Forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori, gravitationsbølger er krusninger i rumtiden genereret af visse bevægelser af massive objekter. De er vigtige at studere, fordi de giver os mulighed for at opdage begivenheder i universet, der ellers ville efterlade lidt eller intet observerbart lys, som sorte hul-kollisioner.

I 2015 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og Jomfru-samarbejdet foretog den første direkte observation af gravitationsbølger. Bølgerne blev udsendt fra en 1,3 milliarder år gammel kollision mellem to supermassive sorte huller og blev detekteret ved hjælp af 4 km lange optiske interferometre, da begivenheden forårsagede krusninger i Jordens rumtid.

Forskere fra UCL, Universitetet i Groningen, og University of Warwick foreslår en detektor baseret på kvante-teknologi, der er 4000 gange mindre end de detektorer, der i øjeblikket er i brug, og som kunne detektere mellemfrekvente gravitationsbølger.

Studiet, offentliggjort i dag i New Journal of Physics , detaljer, hvordan avancerede kvanteteknologier og eksperimentelle teknikker kan bruges til at bygge en detektor, der er i stand til at måle og sammenligne tyngdekraften på to steder på samme tid.

Det ville fungere ved at bruge diamantkrystaller på nanoskala, der vejer 10 ^-17 kg. Krystallerne ville blive placeret i en kvante rumlig superposition ved hjælp af Stern-Gerlach interferometri. Rumlig superposition er en kvantetilstand, hvor krystallerne eksisterer to forskellige steder på samme tid.

Kvantemekanik tillader et objekt, hvor store, at blive rumligt flyttet to forskellige steder på én gang. På trods af at det er kontraintuitivt og i direkte konflikt med vores hverdagsoplevelse, superpositionsprincippet i kvantemekanikken er blevet eksperimentelt verificeret ved hjælp af neutroner, elektroner, ioner og molekyler.

Tilsvarende forfatter Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy og UCLQ), sagde:"Kvantegravitationssensorer eksisterer allerede ved hjælp af superpositionsprincippet. Disse sensorer bruges til at måle Newtons tyngdekraft og skabe utroligt præcise måleenheder. Kvantemasserne, der bruges af nuværende kvantegravitationssensorer, er meget mindre, såsom atomer, men eksperimentelt arbejde skrider frem med de nye interferometri teknikker, der er nødvendige for at få vores enhed til at studere gravitationsbølger.

"Vi fandt ud af, at vores detektor kunne udforske en anden række frekvenser af gravitationsbølger sammenlignet med LIGO. Disse frekvenser er muligvis kun tilgængelige, hvis videnskabsmænd bygger store detektorer i rummet med basislinjer, der er hundredtusindvis af kilometer i størrelse."

Holdet forestiller sig, at deres foreslåede mindre detektor kunne bruges til at bygge et netværk af detektorer, der ville være i stand til at udvælge gravitationsbølgesignaler fra baggrundsstøj. Dette netværk ville også være potentielt nyttigt at give præcise oplysninger om placeringen af ​​de objekter, der skaber gravitationsbølgerne.

Medforfatter, Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy og UCLQ), sagde:"Mens den sensor, vi har foreslået, er ambitiøs i sit omfang, der ser ikke ud til at være nogen grundlæggende eller uoverstigelig hindring for dens oprettelse ved hjælp af nuværende og nære fremtidige teknologier.

"Alle de tekniske elementer til at lave denne detektor er blevet individuelt realiseret i forskellige eksperimenter rundt om i verden:de kræfter, der kræves, kvaliteten af ​​det krævede vakuum, metoden til at placere krystallerne i superposition. Vanskeligheden vil komme i at sætte det hele sammen og sikre, at superpositionen forbliver intakt."

Det næste trin er, at teamet samarbejder med eksperimentelister for at begynde at bygge prototyper af enheden. Vigtigt, den samme klasse af detektorer kan også bidrage til at opdage, om tyngdekraften er en kvantekraft, som vist i nyere arbejde på UCL og andre steder.

Ryan Marshman sagde:"Vores oprindelige ambition var faktisk at udvikle enheden til at udforske ikke-klassisk tyngdekraft. Men, da det ville være en betydelig indsats at realisere en sådan enhed, vi troede, det var virkelig vigtigt at undersøge effektiviteten af ​​en sådan enhed også til at måle meget svag klassisk tyngdekraft, såsom gravitationsbølger, og fandt ud af, at det er lovende!"