A kvantumingadozások az emberi léptékű objektumokat képesek kirántani

Az univerzum, a kvantummechanika lencséjén keresztül nézve, egy zajos, recsegő tér, ahol a részecskék folyamatosan villognak a létezésen belül és kívül, létrehozva a kvantumzaj hátterét, amelynek hatásai általában túl finomak ahhoz, hogy észrevegyék a mindennapi tárgyakban.

léptékű

A MIT LIGO Laboratórium kutatói által vezetett csoport most először mérte meg a kvantumingadozások hatásait a tárgyakra emberi léptékben. Ban megjelent cikkben Természet, a kutatók beszámolója szerint megfigyelhető, hogy a kvantumingadozások, bármennyire is aprók, ennek ellenére akkora tárgyat "rúghatnak", mint a Nemzeti Tudományos Alapítvány 40 kilogrammos tükrei a Nemzeti Tudományos Alapítvány Lézeres Interferométeres Gravitációs Hullámú Obszervatóriumának (LIGO), ami egy apró fokozat, amelyet a csapat meg tudott mérni.

Kiderült, hogy a LIGO detektorainak kvantumzaja elegendő ahhoz, hogy a nagy tükröket 10 -20 méterrel elmozdítsák - ezt az elmozdulást a kvantummechanika előre jelezte egy ekkora tárgy esetében, de ezt még soha nem mérték meg.

"A hidrogénatom 10-10 méter, tehát a tükrök ilyen elmozdulása egy hidrogénatomra vonatkozik, ami számunkra egy hidrogénatom - és ezt mi is megmértük" - mondja Lee McCuller, az MIT Kavli Asztrofizikai és Űrkutatási Intézetének kutatója Kutatás.

A kutatók egy speciális, általuk tervezett, kvantumpréselő eszköznek nevezték el, hogy "manipulálják a detektor kvantumzaját és csökkentse annak tükörbe történő rúgásait, oly módon, amely végső soron javíthatja a LIGO érzékenységét a gravitációs hullámok észlelésében" - magyarázza Haocun Yu, egy fizika végzős hallgató az MIT-nél.

"Ami ebben a kísérletben különleges, hogy kvantumhatásokat láthattunk akkora dolgokon, mint egy ember" - mondja Nergis Mavalvala, a márvány professzor és az MIT fizikai osztályának munkatársa. "Minket is, létezésünk minden nanomásodpercében körbe rúgnak, ezeket a kvantumingadozásokat átsütve. Csak annyi, hogy létezésünk idegessége, hőenergiánk túl nagy ahhoz, hogy ezek a kvantumvákuum-ingadozások mérhető módon befolyásolják mozgásunkat. A LIGO-val tükrök, mindazt a munkát elvégeztük, hogy elszigeteljük őket a termikusan mozgatott mozgástól és más erőktől, így most még mindig elegendőek ahhoz, hogy kvantumingadozások és a világegyetem ezen kísérteties pattogatott kukoricája rúgja őket. "

Yu, Mavalvala és McCuller az új cikk társszerzői, Maggie Tse végzős hallgató és Lisa Barsotti, az MIT vezető kutatója, valamint a LIGO tudományos együttműködésének többi tagja.

Kvantumrúgás

A LIGO-t arra tervezték, hogy észlelje a gravitációs hullámokat, amelyek milliókatól fénymilliárdok távolságára érkeznek kataklizmatikus forrásokból a Földre. Két ikerdetektorból áll, az egyik a washingtoni Hanfordban, a másik pedig a louisianai Livingstonban. Minden detektor egy L alakú interferométer, amely két 4 kilométer hosszú alagútból áll, amelyek végén egy 40 kilogrammos tükör lóg.

A gravitációs hullám észleléséhez a LIGO interferométer bemenetén elhelyezkedő lézer fénysugarat küld le a detektor minden alagútjában, ahol a távoli végén visszaverődik a tükörről, hogy visszaérkezzen a kiindulási pontjához. Gravitációs hullám hiányában a lézereknek pontosan ugyanabban az időben kell visszatérniük. Ha egy gravitációs hullám áthalad, akkor az röviden megzavarja a tükrök helyzetét, és ezért a lézerek érkezési idejét.

Sokat tettek azért, hogy az interferométereket megvédjék a külső zajoktól, hogy az érzékelők nagyobb eséllyel válasszák ki a beérkező gravitációs hullám által okozott rendkívül finom zavarokat.

Mavalvala és munkatársai arra voltak kíváncsiak, vajon a LIGO is lehet-e elég érzékeny ahhoz, hogy a készülék még finomabb hatásokat is érezzen, például kvantumingadozásokat magában az interferométerben, és konkrétan a LIGO lézerének fotonjai között keletkező kvantumzajt.

"Ez a kvantumingadozás a lézerfényben sugárzási nyomást okozhat, amely valóban rúghat egy tárgyra" - teszi hozzá McCuller. "A tárgy esetünkben egy 40 kilogrammos tükör, amely egymilliárdszor nehezebb, mint azok a nanoméretű objektumok, amelyekben más csoportok ezt a kvantumhatást megmérték."

Zajszorító

Hogy lássa, képesek-e mérni a LIGO hatalmas tükreinek mozgását apró kvantumingadozásokra válaszul, a csapat egy olyan eszközt használt, amelyet nemrégiben építettek az interferométerek kiegészítőjeként, és amelyeket kvantumpréselőnek hívnak. A szorítóval a tudósok hangolhatják a kvantumzaj tulajdonságait a LIGO interferométerén.

A csapat először a LIGO interferométerein belül mérte meg a teljes zajt, beleértve a háttér kvantumzajt, valamint a "klasszikus" zajt vagy a normál, mindennapi rezgésekből származó zavarokat. Ezután bekapcsolták a szorítót, és egy olyan állapotba állították, amely kifejezetten megváltoztatta a kvantumzaj tulajdonságait. Ezután az adatelemzés során képesek voltak levonni a klasszikus zajt, és elkülöníteni a tisztán kvantumzajt az interferométerben. Mivel a detektor folyamatosan figyeli a tükrök elmozdulását a bejövő zajoktól, a kutatók megfigyelhették, hogy a kvantum zaj önmagában elegendő a tükrök elmozdításához, 10-20 méterrel.

Mavalvala megjegyzi, hogy a mérés pontosan megegyezik azzal, amit a kvantummechanika jósol. "De mégis figyelemre méltó látni, hogy megerősítést nyer valami oly nagy dolog" - mondja a nő.

Egy lépéssel tovább haladva a csapat arra volt kíváncsi, hogy képesek-e manipulálni a kvantumprészt az interferométeren belüli kvantumzaj csökkentése érdekében. A szorító úgy van kialakítva, hogy amikor egy adott állapotba áll, "megszorítja" a kvantumzaj bizonyos tulajdonságait, ebben az esetben a fázist és az amplitúdót. A fázisingadozásokat úgy gondolhatjuk, mint amelyek a fény haladási idejének kvantumbizonytalanságából fakadnak, míg az amplitúdóingadozások kvantumrúgásokat adnak a tükör felületére.

"Úgy gondolkodunk, hogy a kvantum zaj különböző tengelyek mentén oszlik el, és megpróbáljuk csökkenteni a zajt bizonyos szempontból" - mondja Yu.

Ha a présgép egy bizonyos állapotba van állítva, akkor például összenyomhatja vagy szűkítheti a bizonytalanságot fázisban, miközben egyidejűleg távolodhat, vagy növelheti az amplitúdóbeli bizonytalanságot. A kvantumzaj különböző szögekben történő összenyomásakor a fázis és az amplitúdó zaj eltérő aránya keletkezik a LIGO detektorain belül.

A csoport arra volt kíváncsi, hogy ennek a szorítási szögnek a megváltoztatása kvantumkorrelációt eredményez-e a LIGO lézerei és tükrei között, oly módon, hogy azokat is meg tudják mérni. Ötletüket tesztelve a csapat 12 különböző szögbe állította a szorítót, és megállapította, hogy valóban meg tudják mérni a korrelációt a lézer kvantumzajának különböző eloszlásai és a tükrök mozgása között.

Ezen kvantumkorrelációk révén a csapat képes volt megszorítani a kvantumzajt és az ebből eredő tükör elmozdulást a normál szint 70% -áig. Ez a mérés egyébként alatta marad az úgynevezett standard kvantumhatárnak, amely a kvantummechanikában azt állítja, hogy egy adott számú foton, vagy - a LIGO esetében - egy bizonyos szintű lézer teljesítmény várhatóan egy bizonyos minimális kvantummennyiséget generál olyan ingadozások, amelyek sajátos "rúgást" generálnának az útjukban lévő bármely tárgyra.

Azáltal, hogy szorított fényt használ a kvantumzaj csökkentésére a LIGO mérés során, a csapat a szabványos kvantumkorlátnál pontosabb mérést hajtott végre, csökkentve ezt a zajt oly módon, hogy végső soron a LIGO segíteni tudjon a gravitációs hullámok halványabb, távolabbi forrásainak észlelésében.