Физики увидели влияние квантовых флуктуаций на макроскопический объект ( 3 фото )

Yu, H, et al. / Nature, 2020

Коллаборация LIGO впервые напрямую измерила влияние квантовых флуктуаций на макроскопический объект — зеркало весом 40 килограмм. Работа опубликована в журнале Nature.

Одно из самых удивительных предсказаний квантовой теории поля состоит в том, что вакуум пространства не пустой, а наполнен виртуальными частицами, которые рождаются и умирают в связи с квантовым флуктуациями. Несмотря на то, что эти флуктуации очень слабые, ученые могут измерить их влияние на поля или маленькие объекты. Однако, в повседневной жизни, имея дело с макроскопическими системами, мы не способны почувствовать напрямую влияние квантовых флуктуаций.

Обсерватория LIGO, где были впервые задетектированы гравитационные волны, является одной из самых точных установок в мире. Обсерватория состоит из двух огромных детекторов, которые представляют собой четырехкилометровые интерферометры с зеркалами весом 40 килограмм. В процессе измерения гравитационных волн лазерный луч посылается на интерферометр, отражается от зеркал и возвращается. По временной задержке можно узнать, произошло ли смещение зеркал из-за гравитационной волны.

Разработанная система детекторов очень хорошо защищена от внешних шумов, но избавиться от квантовых шумов из-за флуктуаций полностью невозможно. С другой стороны, при такой хорошей защите от классических шумов можно измерить влияние квантовых эффектов в макроскопической системе.

Коллаборация LIGO сообщила, что им впервые удалось задетектировать влияние квантовых флуктуаций на макроскопическую интерференционную схему, а именно на смещение зеркала. Ранее ученым удавалось увидеть влияние флуктуаций лишь на нанообъекты в миллиарды раз меньше.


Схема интерферометра LIGO для измерения сжатого квантового состояния

Valeria Sequino, Mateusz Bawaj / Nature, 2020

Для обнаружения прямого действия флуктуаций, ученые внедрили в схему устройство на основе квантового сжатия, что позволило менять свойства флуктуаций, а именно силу квантовых корреляций. Для этого ученые создали сжатое состояние света, с контролируемой структурой сжатия, и использовали его в интерферометре в качестве пробного луча. Физики варьировали параметры сжатия и снимали зависимость смещения зеркала от этих параметров. Если бы квантовых корреляций не было бы, то смещение зеркала было бы нечувствительным к сжатию. Таким образом, им удалось достоверно показать, что смещение зеркал происходит из-за квантового шума, а не обычных вибраций.


Результаты эксперимента

Yu, H, et al. / Nature, 2020

Исследователи зарегистирировали смещение зеркала на 10-20 метра, что является абсолютным рекордом при измерениях механического движения. Квантов сжатый свет также можно применять в будущем для ещё более точных измерений гравитационных волны. Такой метод позволяет проводить измерения с точностью выше квантового предела.

В марте LIGO остановила свою работу из-за пандемии, но теперь они готовы дальше работать над установкой. Больше про оптические квантовые измерения вы можете прочитать в нашем материале «Связать и измерить».

Михаил Перельштейн

Материал взят: Тут