Zwiększanie detektorów fal grawitacyjnych za pomocą sztuczek kwantowych

Anonim

Grupa naukowców z Instytutu Nielsa Bohra (NBI) na Uniwersytecie w Kopenhadze wkrótce zacznie opracowywać nową linię sprzętu technicznego, aby radykalnie poprawić czujniki fal grawitacyjnych.

Detektory fal grawitacyjnych są niezwykle czułe i mogą np. Rejestrować zderzające się gwiazdy neutronowe w przestrzeni. Jeszcze większa wrażliwość jest poszukiwana w celu poszerzenia naszej wiedzy o Wszechświecie, a naukowcy z NBI są przekonani, że ich sprzęt może poprawić czujniki, mówi profesor Eugene Polzik: "Powinniśmy być w stanie wykazać dowód koncepcji w przybliżeniu. trzy lata."

Jeśli naukowcy z NBI są w stanie poprawić detektory fal grawitacyjnych tak, jak "realistycznie oczekują, że da się je wykonać", detektory będą w stanie monitorować i przeprowadzać pomiary w ośmiokrotnie większej objętości przestrzeni niż jest to obecnie możliwe, wyjaśnia Eugene Polzik: "To będzie naprawdę znaczące rozszerzenie".

Polzik jest szefem Quantum Optics (Quantop) w NBI, a on będzie kierował rozwojem dostosowanego do potrzeb sprzętu do detektorów fal grawitacyjnych. Badania - wspierane przez UE, projekty sieciowe Eureka i amerykańską Fundację Johna Templetona z grantami w wysokości 10 mln DKK - zostaną przeprowadzone w laboratorium Eugene'a Polzika w NBI.

Kolizja dobrze zauważona

W październiku 2017 r. Media informacyjne na całym świecie przeszły na nadgorliwość, kiedy potwierdzono, że duży międzynarodowy zespół naukowców rzeczywiście zmierzył zderzenie dwóch gwiazd neutronowych; wydarzenie, które miało miejsce 140 milionów lat świetlnych od Ziemi i doprowadziło do powstania kilonova.

Międzynarodowy zespół naukowców - w skład którego wchodzili także eksperci z NBI - był w stanie potwierdzić kolizję poprzez pomiar fal grawitacyjnych z kosmosu - fal w samej tkaninie czasoprzestrzeni, poruszającej się z prędkością światła. Fale zostały zarejestrowane przez trzy detektory fal grawitacyjnych: dwa amerykańskie detektory LIGO i europejski detektor Virgo we Włoszech.

"Te detektory fal grawitacyjnych są zdecydowanie najbardziej czułym sprzętem pomiarowym, jaki człowiek jeszcze wyprodukował - a mimo to czujniki nie są tak dokładne, jak mogłyby być, i to właśnie zamierzamy poprawić" - mówi profesor Eugene Polzik.

Sposób, w jaki można to zrobić, przedstawiono w artykule, który Eugene Polzik i jego kolega, Farid Khalili ze współpracy LIGO i Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, opublikowali niedawno w czasopiśmie naukowym Physical Review Letters. I to nie jest tylko propozycja teoretyczna, mówi Eugene Polzik:

"Jesteśmy przekonani, że to zadziała zgodnie z założeniami: nasze obliczenia pokazują, że powinniśmy być w stanie poprawić dokładność pomiarów wykonanych przez czujniki fal grawitacyjnych dwukrotnie, a jeśli nam się to uda, spowoduje to wzrost o współczynnik ośmiu objętości w przestrzeni, którą czujniki fal grawitacyjnych są obecnie w stanie zbadać. "

Mała szklana cela

W lipcu zeszłego roku Eugene Polzik i jego zespół w Quantop opublikowali wysoko zauważony artykuł w Nature - i ta praca jest właściwie fundamentem zbliżającej się próby ulepszenia detektorów fal grawitacyjnych.

Artykuł w Naturze koncentrował się na "oszukiwaniu" zasady nieoznaczoności Heisenberga, która w zasadzie mówi, że nie można jednocześnie znać dokładnej pozycji i dokładnej prędkości obiektu.

Ma to związek z faktem, że obserwacje prowadzone przez świecące światło na obiekcie nieuchronnie doprowadzą do "kopnięcia" obiektu w przypadkowych kierunkach przez fotony, cząstki światła. Zjawisko to nosi nazwę Quantum Back Action (QBA) i te ruchy losowe ograniczają dokładność, z jaką można przeprowadzać pomiary na poziomie kwantowym.

Artykuł w Nature w lecie 2017 r. Trafił na pierwsze strony gazet, ponieważ Eugene Polzik i jego zespół byli w stanie wykazać, że w dużym stopniu możliwe jest zneutralizowanie QBA.

A QBA jest tym samym powodem, dla którego detektory fal grawitacyjnych - które działają również w świetle, a mianowicie światło lasera - nie są tak dokładne, jak mogłyby być ", jak mówi profesor Polzik.

Mówiąc prościej, możliwe jest zneutralizowanie QBA, jeśli światło używane do obserwacji obiektu jest początkowo wysyłane przez "filtr". Tak opisał artykuł w przyrodzie - i "filtr", który opracowali naukowcy NBI w Quantop i Opisano w nim chmurę 100 milionów atomów cezu zamkniętą w hermetycznie zamkniętej szklanej celi o długości tylko jednego centymetra, 1/3 wysokości milimetra i 1/3 szerokości milimetra.

Zasada stojąca za tym "filtrem" jest dokładnie tym, co Polzik i jego zespół zamierzają włączyć do detektorów fal grawitacyjnych.

Teoretycznie można zoptymalizować pomiary fal grawitacyjnych, przełączając na mocniejsze światło laserowe, niż działają detektory w Europie i USA. Jednak według mechaniki kwantowej to nie jest opcja, mówi Eugene Polzik:

"Zmiana na silniejsze światło lasera spowoduje, że zestaw lusterek w detektorach będzie bardziej wstrząsany, ponieważ działanie Quantum Back będzie powodowane przez więcej fotonów. Te lusterka są absolutnie kluczowe i jeśli zaczną się trząść, to zwiększą niedokładność."

Zamiast tego, naukowcy z NBI opracowali plan oparty na atomowym "filtrze", który zademonstrowali w artykule "Nature": wyślą światło lasera, za pomocą którego detektory fal grawitacyjnych będą działały poprzez zmodyfikowaną wersję komórki z zamknięte atomy, mówi Eugene Polzik: "I mamy nadzieję, że wykona to zadanie."

menu
menu