Квантовая запутанность в два раза увеличит чувствительность детекторов гравитационных волн

Учёные убеждены, что они нашли способ "обмануть" квантовую механику.

Фото Ola J. Joensen.

Авторы предлагают пропускать запутанные лазерные лучи через облако атомов цезия. Это должно повысить чувствительность измерений.

Иллюстрация Bastian Leonhardt Strube, Mads Vadsholt.

Чувствительность детекторов гравитационных волн можно увеличить вдвое. Для этого нужно использовать квантовые эффекты, связанные с запутанными фотонами в лазерном луче. К такому выводу пришли Фарид Халили из МГУ имени Ломоносова и Евгений Ползик (Eugene Polzik) из Копенгагенского университета. Научная статья авторов опубликована в журнале Physical Review Letters.

Напомним, что первый всплеск гравитационных волн был зафиксирован земными детекторами в 2015 году. За все прошедшие годы было зафиксировано ещё только пять подобных событий.

Действующие детекторы представляют собой настоящий шедевр инженерной мысли. Гравитационная волна качает зеркала, между которыми путешествует лазерный луч, с амплитудой в тысячи раз меньше радиуса протона. И устройство фиксирует эти колебания. Но даже такой чувствительности хватает лишь для того, чтобы регистрировать один-два всплеска в год. Между тем, согласно расчётам физиков, каждые 5–10 минут где-то в видимой Вселенной сливаются чёрные дыры и возникают новые гравитационные волны.

"Эти детекторы гравитационных волн представляют собой наиболее чувствительное измерительное оборудование, когда-либо изготовленное человеком. И всё же детекторы не так точны, как могли бы быть. И мы намерены улучшить их", – говорит Ползик.

Дело в том, что при измерении таких ничтожных смещений нельзя не принимать во внимание квантовые эффекты. В частности, становится важен принцип неопределённости Гейзенберга. Согласно этому физическому закону, чем точнее мы измеряем координату частицы, тем больше становится неопределённость в её скорости, и наоборот. Это накладывает фундаментальные ограничения на точность физических приборов: для подавляющего большинства измерений точность не может превзойти так называемый стандартный квантовый предел.

Авторы предлагают пропускать запутанные лазерные лучи через облако атомов цезия. Это должно повысить чувствительность измерений.

Однако Халили и Ползик нашли способ обойти последнее ограничение. Подчеркнём, впрочем, что речь идёт не о пересмотре законов квантовой механики, а лишь о более тонком учёте её эффектов.

В детекторе стандартной конструкции между зеркалами путешествует лазерный луч. Соответственно, если зеркала колеблются, синхронность прихода световых волн в определённую точку пространства нарушается. Это и является сигналом о пришедшей гравитационной волне.

Физики предлагают использовать вместо одного два лазерных луча, находящихся друг с другом в состоянии квантовой запутанности. Эти лучи пропускаются через герметичный стеклянный контейнер, длина которого составляет около одного сантиметра, а ширина и высота примерно 0,3 миллиметра. В этом контейнере находится облако из ста миллионов атомов цезия. Сложное квантовое взаимодействие между светом и веществом улучшает чувствительность измерений.

Физики надеются провести первые эксперименты, доказывающие жизнеспособность их идеи, в течение трёх лет.

"Мы убеждены, что всё будет работать как надо. Наши расчёты показывают, что мы должны увеличить точность измерений, проводимых гравитационными волновыми детекторами, в два раза. И если мы добьёмся успеха, это приведёт к увеличению в восемь раз объёма пространства, которое в настоящее время могут исследовать детекторы гравитационных волн", – заявляет Ползик.

Поясним, что речь идёт об увеличении вдвое предельного расстояния, на котором устройство может зарегистрировать типичный гравитационный всплеск. А если максимальная дистанция, на которой детектор "может что-то разглядеть", увеличивается в два раза, то объём сканируемого трёхмерного пространства возрастает в 23 = 8 раз.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о математическом алгоритме, который может увеличить чувствительность гравитационных телескопов в тысячу раз, и о том, как эти сверхчувствительные устройства можно приспособить для поиска тёмной материи.