Крупнейшая обсерватория гравитационных волн выжимает свет за пределы "квантового предела"

Ученые из крупнейшей в мире обсерватории гравитационных волн достигли выхода за пределы важного квантового ограничения с использованием нового метода, известного как "частотно-зависимое сжатие". Этот метод позволяет увеличить количество крайне мелких флуктуаций в пространстве-времени, которые могут быть обнаружены Лазерной интерферометрической гравитационной волновой обсерваторией (LIGO). Таким образом, увеличивается количество событий столкновения нейтронных звезд и чёрных дыр, которые детектор способен зарегистрировать.

"Этот прорыв позволит более глубоко изучать астрономические явления. Гравитационные волны возникают при движении объектов с массой в пространстве. Более массивные объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, создают более заметные гравитационные волны. Первое обнаружение гравитационных волн было сделано в 2015 году, и с тех пор наблюдения усовершенствовались" — отмечает Ли Маккаллер, доцент физики Калифорнийского технологического института и один из соавторов исследования

Детектор LIGO регистрирует эти космические колебания через их воздействие на пространство-время. Эксперимент состоит из двух пересекающихся L-образных детекторов, каждый из которых имеет два плеча длиной 4 километра и два одинаковых лазерных луча внутри. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она вызывает сжатие одного из плеч и расширение другого, что приводит к небольшому изменению длины пути лазерных лучей, попадающих в детектор.

Однако эти искажения чрезвычайно малы, часто составляя лишь несколько тысячных частей протона или нейтрона, поэтому LIGO должны быть чрезвычайно чувствительными. Они сталкиваются с высокочастотным и низкочастотным шумом, который возникает от квантовых эффектов и колебаний зеркал соответственно. Этот шум ограничивает детектор в обнаружении разных типов гравитационных волн.

Для преодоления квантовых ограничений физики обратились к принципу неопределенности Гейзенберга, который указывает на компромисс между измерением амплитуды и частоты света внутри LIGO. Используя кристаллы, которые расщепляют фотоны на два запутанных фотона, они настроили свет так, чтобы усилить одно из свойств, уменьшая неопределенность другого.

Этот метод, известный как "частотно-зависимое сжатие", позволяет уменьшить шум и повысить чувствительность LIGO, без необходимости увеличивать мощность лазера или размеры зеркал. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Physical Review X.