Sammenpresset lys får Jomfruspejle til at ryste

Kvantemekanik beskriver ikke kun, hvordan verden fungerer på dens mindste skalaer, men påvirker også bevægelsen af ​​makroskopiske objekter. Et internationalt forskerhold, herunder fire forskere fra MPI for Gravitational Physics (Albert-Einstein-Institut/AEI) og Leibniz University i Hannover, Tyskland, har vist, hvordan de kan påvirke spejlenes bevægelse, hver vejer mere end 40 kg, i Advanced Virgo gravitationsbølgedetektor gennem bevidst brug af kvantemekanik. Kernen i deres eksperiment offentliggjort i dag i Fysiske anmeldelsesbreve er en klemt lyskilde, udviklet og bygget på AEI i Hannover, som genererer specielt afstemt laserstråling og forbedrer detektorens målefølsomhed under observationskørsler.

Den kvantemekaniske verden af ​​sandsynligheder og usikkerheder styrer også adfærden af ​​de kilometerstore gravitationsbølgedetektorer Advanced LIGO, Avanceret Jomfru, og GEO600. Følsomheden af ​​disse højpræcisionsinstrumenter over for gravitationsbølger - forårsagede, for eksempel, af fjerne sorte hul-fusioner - er i øjeblikket begrænset af kvantemekanisk baggrundsstøj.

Heisenbergs usikkerhed begrænser detektorerne

I detektorerne, laserlys bruges til at måle med højeste præcision den relative position af spejle kilometer fra hinanden. Selv i fravær af gravitationsbølgesignaler eller støjkilder, disse spejlpositionsmålinger ville vise en let rysten.

Grunden til dette er Heisenbergs usikkerhedsprincip. Ifølge denne hjørnesten i kvantemekanikken, samtidige målinger af to relaterede størrelser er umulige med vilkårlig nøjagtighed; de er slørede, eller usikker. Imidlertid, måleunøjagtigheden af ​​en af ​​de to størrelser kan reduceres - men kun på bekostning af en større unøjagtighed ved måling af den anden størrelse.

I gravitationsbølgedetektorer reduceres skudstøj - støjen fra de tilfældigt og uregelmæssigt ankommende lyspartikler - normalt. Dette trick er nødvendigt, fordi denne kvantemekaniske baggrundsstøj begrænser følsomheden af ​​detektorerne ved høje målefrekvenser, som de lytter ind i kosmos med.

Der er ikke noget der hedder en gratis frokost

Ifølge usikkerhedsforholdet, imidlertid, reduceret skudstøj resulterer i øget strålingstrykstøj:Den kraft, hvormed strømmen af ​​lyspartikler skubber på spejlene, svinger kraftigere. Som resultat, spejlene bevæger sig mere frem og tilbage, simpelthen på grund af virkningerne af kvantemekanikken.

"Der er ikke noget, der hedder en gratis frokost:Hvis du reducerer den kvantemekaniske baggrundsstøj ved høje frekvenser ved hjælp af nuværende sammenpressede lyskilder, du betaler en pris. Og denne pris er øget kvantestøj – og dermed reduceret målenøjagtighed – ved lavere frekvenser, " forklarer Moritz Mehmet, forsker ved AEI Hannover.

Massive spejle bevæger sig

Indtil nu, andre tekniske støjkilder har skjult denne stigning i strålingstrykstøj i gravitationsbølgedetektorer. Kun nu, under Advanced LIGO's og Advanced Virgos tredje observationskørsel (april 2019 til marts 2020) er denne detektion blevet en mulighed ved at bruge kilder til klemt lys og reducere andre støjkilder.

"Hvis vi bruger særligt stærkt sammenpresset lys, vi ser tydeligt en yderligere jitter af spejlene på 42 kilo i Advanced Jomfru-detektoren - virkelig makroskopiske objekter - ved lave frekvenser. Dette skyldes kvantemekaniske effekter, siger Henning Vahlbruch, en forsker ved AEI Hannover.

Denne nye måling er kun mulig, fordi forskerne er i stand til at bestemme fluktuationer af spejlpositionerne til mindre end en tusindedel af en protondiameter. Tidligere målinger af denne effekt i laboratorieforsøg brugte masser, der var 10 millioner gange lettere end de avancerede Jomfru-spejle.

Pioner med klemt lys GEO600

Siden 2010 har den tysk-britiske GEO600-detektor har brugt en klemt lyskilde. GEO600 spiller en pionerrolle på dette område. I den tredje fælles observationskørsel (april 2019 indtil udgangen af ​​marts 2020) de to Advanced LIGO-detektorer og Advanced Virgo-detektoren brugte også klemt lys. Ved Advanced Virgo-instrumentet, en klemt lyskilde udviklet og bygget på AEI Hannover baseret på designet testet ved GEO600 er i brug.

I fremtiden, kilder med klemt lys skal modificeres for yderligere at øge følsomheden af ​​gravitationsbølgedetektorer. Den nøje afstemte laserstråling, de genererer, må ikke længere være den samme ved alle frekvenser. Dens egenskaber skal justeres, så den reducerer kvantemekanisk støj ved både høje og lave frekvenser. Udviklingen af ​​denne frekvensafhængige squeezing er allerede i gang i det verdensomspændende samfund af gravitationsbølgeforskere inklusive GEO600. To grupper har vist de første vellykkede eksperimentelle demonstrationer i foråret 2020.