Впервые в истории измерили квантовый «удар» по большому объекту.

Другие исследовательские группы измеряли такие квантовые эффекты и раньше, но никогда в таком масштабе. По словам членов группы ученных, зеркала LIGO примерно в один миллиард раз тяжелее ранее наблюдавшихся объектов. Проект LIGO охотится за гравитационными волнами-рябью в пространстве-времени, вызванной ускорением массивных объектов, используя два детектора, один в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой в Хэнфорде, штат Вашингтон. Каждый детектор представляет собой L-образный объект с ножками длиной четыре километра. Лазер в самом центре «L» светит вниз по этим ногам, и 88 фунтовые зеркала в конце каждого из них отбрасывают лучи назад. Если отраженные лучи возвращаются в центр в несколько иное время, то это потенциальное свидетельство гравитационной волны, искажающей структуру пространства-времени в ногах.

Команда LIGO использовала эту стратегию с большим успехом. В настоящее время около десятка подтвержденных гравитационно-волновых фактов, включая первую в истории, сделанную в сентябре 2015 года. Большинство из этих событий связано со слиянием черных дыр, но два из них были вызваны столкновением сверхплотных, размером с город звездных трупов, известных как нейтронные звезды. Детекторы LIGO невероятно чувствительны и глубоко защищены от шума, иначе они были бы неспособны улавливать гравитационные волны. Например, чтобы сделать новаторское обнаружение 2015 года, потребовалось измерить изменение расстояния в тысячу раз меньше, чем ширина Протона.

Новое исследование использовало эту чувствительность и вывела ее на новый уровень. Ученые, возглавляемые аспирантом физики Массачусетского технологического института Хаокуном Юем, использовали «квантовый сжиматель», дополнительный инструмент, который они недавно построили, позволяющий им «»настраивать«» квантовый шум внутри детекторов. Этот шум создается крошечными частицами, появляющимися и исчезающими повсюду во вселенной.

«Мы думаем о квантовом шуме как распределенном по разным осям, и мы пытаемся уменьшить шум в некотором конкретном аспекте», — сказал Ю в том же заявлении. Исследовательская группа измерила общий шум — как квантовый, так и «классический», который вызван обычными вибрациями — внутри детектора. Затем они вычли классический шум во время анализа данных. Эта работа показала, что квантовые флуктуации в лазерном свете сами по себе могут сдвинуть зеркала детектора на 10^-20 метров. Данное число соответствует предсказаниям, сделанными теоретиками.

Новое исследование, опубликованное в 1 июля 2020 года в журнале Nature, имеет больше, чем просто сенсационность. Квантовый сжиматель позволяет команде LIGO манипулировать квантовым шумом детектора и уменьшать его удары по зеркалам таким образом, чтобы в конечном итоге улучшить чувствительность LIGO при обнаружении гравитационных волн.