Universum, sett genom kvantmekanikens lins, är bullriga, sprakande utrymme där partiklar blinkar konstant in och ut ur existensen, skapa en bakgrund av kvantbrus vars effekter normalt är alldeles för subtila för att upptäckas i vardagliga föremål.

Nu för första gången, ett team som leds av forskare vid MIT LIGO Laboratory har mätt effekterna av kvantfluktuationer på objekt i mänsklig skala. I ett papper publicerat i Natur , forskarna rapporterar att de observerar att kvantfluktuationer, hur små de än är, kan ändå "sparka" ett föremål så stort som 40-kilosspeglarna i National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), får dem att röra sig i en liten grad, som laget kunde mäta.

Det visar sig att kvantbruset i LIGOs detektorer är tillräckligt för att flytta de stora speglarna med 10 ^-20 meter - en förskjutning som förutspåddes av kvantmekaniken för ett objekt av denna storlek, men det hade aldrig tidigare mätts.

"En väteatom är 10 ^-10 meter, så denna förskjutning av speglarna är till en väteatom vad en väteatom är för oss – och vi mätte det, " säger Lee McCuller, en forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

Forskarna använde ett speciellt instrument som de designade, kallas en kvantpressare, att "manipulera detektorns kvantljud och minska dess spark mot speglarna, på ett sätt som i slutändan kan förbättra LIGO:s känslighet för att upptäcka gravitationella vågor, " förklarar Haocun Yu, en doktorand i fysik vid MIT.

"Det som är speciellt med det här experimentet är att vi har sett kvanteffekter på något så stort som en människa, säger Nergis Mavalvala, marmorprofessorn och biträdande chef för fysikavdelningen vid MIT. "Vi också, varje nanosekund av vår existens, sparkas runt, buffrade av dessa kvantfluktuationer. Det är bara det som skakar i vår existens, vår värmeenergi, är för stor för att dessa kvantevakuumfluktuationer ska kunna påverka vår rörelse mätbart. Med LIGO:s speglar, vi har gjort allt detta arbete för att isolera dem från termiskt drivna rörelser och andra krafter, så att de nu fortfarande räcker för att sparkas runt av kvantfluktuationer och universums kusliga popcorn."

Yu, Mavalvala, och McCuller är medförfattare till den nya artikeln, tillsammans med doktorand Maggie Tse och huvudforskare Lisa Barsotti vid MIT, tillsammans med andra medlemmar av LIGO Scientific Collaboration.

En kvantspark

LIGO är utformat för att upptäcka gravitationella vågor som anländer till jorden från katastrofala källor miljoner till miljarder ljusår bort. Den består av två dubbla detektorer, en i Hanford, Washington, och den andra i Livingston, Louisiana. Varje detektor är en L-formad interferometer som består av två 4 kilometer långa tunnlar, i vars ände hänger en spegel på 40 kilo.

För att upptäcka en gravitationsvåg, en laser placerad vid ingången av LIGO-interferometern skickar en ljusstråle ner i varje tunnel i detektorn, där det reflekteras från spegeln längst bort, för att komma tillbaka till sin startpunkt. I frånvaro av en gravitationsvåg, lasrarna ska återvända vid samma exakta tidpunkt. Om en gravitationsvåg passerar, det skulle kort störa speglarnas position, och därför lasrarnas ankomsttider.

Mycket har gjorts för att skydda interferometrarna från externt brus, så att detektorerna har en bättre chans att plocka ut de ytterst subtila störningar som skapas av en inkommande gravitationsvåg.

Mavalvala och hennes kollegor undrade om LIGO också kan vara tillräckligt känsligt för att instrumentet till och med kan känna subtilare effekter, såsom kvantfluktuationer inom själva interferometern, och specifikt, kvantbrus som genereras bland fotonerna i LIGOs laser.

"Denna kvantfluktuation i laserljuset kan orsaka ett strålningstryck som faktiskt kan sparka ett föremål, ", tillägger McCuller. "Föremålet i vårt fall är en spegel på 40 kilo, som är en miljard gånger tyngre än de nanoskaliga objekt som andra grupper har mätt denna kvanteffekt i."

Noise squeezer

För att se om de kunde mäta rörelsen hos LIGOs massiva speglar som svar på små kvantfluktuationer, teamet använde ett instrument de nyligen byggde som ett tillägg till interferometrarna, som de kallar en kvantpressare. Med klämman, forskare kan ställa in egenskaperna hos kvantbruset i LIGOs interferometer.

Teamet mätte först det totala bruset i LIGOs interferometrar, inklusive bakgrundens kvantbrus, såväl som "klassiskt" brus, eller störningar som genereras från normala, vardagliga vibrationer. De slog sedan på pressaren och ställde in den i ett specifikt tillstånd som specifikt förändrade egenskaperna hos kvantbrus. De kunde sedan subtrahera det klassiska bruset under dataanalys, för att isolera det rent kvantbrus i interferometern. När detektorn ständigt övervakar speglarnas förskjutning till inkommande ljud, forskarna kunde observera att enbart kvantbruset var tillräckligt för att förskjuta speglarna, vid 10 ^-20 meter.

Mavalvala noterar att mätningen stämmer överens med vad kvantmekaniken förutspår. "Men det är ändå anmärkningsvärt att se det bekräftas i något så stort, " hon säger.

Gå ett steg längre, teamet undrade om de kunde manipulera kvantpressaren för att minska kvantbruset i interferometern. Squeezern är utformad så att när den ställs in i ett visst tillstånd, det "klämmer" vissa egenskaper hos kvantbruset, I detta fall, fas och amplitud. Fasfluktuationer kan ses som en följd av kvantusäkerheten i ljusets restid, medan amplitudfluktuationer ger kvantkick till spegelytan.

"Vi tänker på kvantbruset fördelat längs olika axlar, och vi försöker minska bullret i någon specifik aspekt, "Säger Yu.

När squeezern är inställd på ett visst tillstånd, den kan till exempel klämma, eller minska osäkerheten i fas, samtidigt som de tänjs ut, eller öka osäkerheten i amplitud. Att klämma ihop kvantbruset i olika vinklar skulle producera olika förhållande mellan fas och amplitudbrus inom LIGOs detektorer.

Gruppen undrade om en förändring av vinkeln på denna klämning skulle skapa kvantkorrelationer mellan LIGOs lasrar och dess speglar, på ett sätt som de också kunde mäta. Testar deras idé, teamet ställde in squeezern i 12 olika vinklar och fann att, verkligen, de kunde mäta korrelationer mellan de olika fördelningarna av kvantbrus i lasern och speglarnas rörelse.

Genom dessa kvantkorrelationer, teamet kunde pressa kvantbruset, och den resulterande spegelförskjutningen, ner till 70 procent av sin normala nivå. Denna mätning, tillfälligtvis, är under vad som kallas standardkvantgränsen, som, inom kvantmekanik, anger att ett givet antal fotoner, eller, i LIGO:s fall, en viss nivå av laserkraft, förväntas generera ett visst minimum av kvantfluktuationer som skulle generera en specifik "kick" till vilket objekt som helst i deras väg.

Genom att använda pressat ljus för att minska kvantbruset i LIGO-mätningen, laget har gjort en mätning mer exakt än standardkvantgränsen, minska det bruset på ett sätt som i slutändan kommer att hjälpa LIGO att upptäcka svagare, mer avlägsna källor för gravitationsvågor.