Kvantmekaniken beskriver inte bara hur världen fungerar i sin minsta skala, men påverkar också rörelsen hos makroskopiska föremål. Ett internationellt forskarlag, inklusive fyra forskare från MPI for Gravitational Physics (Albert-Einstein-Institut/AEI) och Leibniz University i Hannover, Tyskland, har visat hur de kan påverka speglars rörelse, var och en väger mer än 40 kg, i Advanced Virgo gravitationsvågdetektor genom avsiktlig användning av kvantmekanik. Kärnan i deras experiment som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev är en klämd ljuskälla, utvecklat och byggt vid AEI i Hannover, som genererar specialavstämd laserstrålning och förbättrar detektorns mätkänslighet under observationskörningar.

Den kvantmekaniska världen av sannolikheter och osäkerheter styr också beteendet hos de kilometerstora gravitationsvågsdetektorerna Advanced LIGO, Advanced Virgo, och GEO600. Känsligheten hos dessa högprecisionsinstrument för gravitationsvågor – orsakade, till exempel, av avlägsna svarta håls sammanslagningar — begränsas för närvarande av kvantmekaniskt bakgrundsljud.

Heisenbergs osäkerhet begränsar detektorerna

I detektorerna, laserljus används för att med högsta precision mäta speglars relativa position kilometer från varandra. Även i frånvaro av gravitationsvågssignaler eller bruskällor, dessa spegelpositionsmätningar skulle visa ett lätt jitter.

Anledningen till detta är Heisenbergs osäkerhetsprincip. Enligt denna hörnsten inom kvantmekaniken, samtidiga mätningar av två relaterade storheter är omöjliga med godtycklig noggrannhet; de är suddiga, eller osäker. Dock, mätonoggrannheten för en av de två storheterna kan minskas — men bara på bekostnad av en större felaktighet vid mätning av den andra storheten.

I gravitationsvågsdetektorer reduceras vanligtvis skottljud - mönster från de slumpmässigt och oregelbundet ankommande ljuspartiklarna. Detta trick är nödvändigt eftersom detta kvantmekaniska bakgrundsljud begränsar detektorernas känslighet vid höga mätfrekvenser med vilka de lyssnar in i kosmos.

Det finns inget sådant som en gratis lunch

Enligt osäkerhetsförhållandet, dock, minskat skottljud ger ökat stråltrycksljud:Den kraft med vilken strömmen av ljuspartiklar trycker på speglarna fluktuerar kraftigare. Som ett resultat, speglarna rör sig fram och tillbaka mer, helt enkelt på grund av effekterna av kvantmekaniken.

"Det finns inget sådant som en gratis lunch:Om du minskar det kvantmekaniska bakgrundsbruset vid höga frekvenser med hjälp av strömkällor med klämt ljus, du betalar ett pris. Och detta pris är ökat kvantbrus – och därmed minskad mätnoggrannhet – vid lägre frekvenser, " förklarar Moritz Mehmet, forskare vid AEI Hannover.

Massiva speglar rör sig

Tills nu, andra tekniska bullerkällor har dolt denna ökning av strålningstrycksljud i gravitationsvågsdetektorer. Bara nu, under Advanced LIGO:s och Advanced Virgos tredje observationskörning (april 2019 till mars 2020) har denna detektering blivit en möjlighet med hjälp av klämda ljuskällor och reducering av andra bruskällor.

"Om vi ​​använder särskilt starkt pressat ljus, vi ser tydligt ytterligare ett skakande av speglarna på 42 kilo i Advanced Virgo-detektorn – verkligen makroskopiska objekt – vid låga frekvenser. Detta beror på kvantmekaniska effekter, säger Henning Vahlbruch, en forskare vid AEI Hannover.

Denna nya mätning är endast möjlig eftersom forskarna kan bestämma fluktuationer i spegelpositionerna till mindre än en tusendels protondiameter. Tidigare mätningar av denna effekt i laboratorieexperiment använde massor som var 10 miljoner gånger lättare än Advanced Virgo-speglarna.

Klämljus pionjär GEO600

Sedan 2010, den tysk-brittiska GEO600-detektorn har använt en ljuskälla. GEO600 spelar en banbrytande roll på detta område. I den tredje gemensamma observationskörningen (april 2019 till slutet av mars 2020), de två Advanced LIGO-detektorerna och Advanced Virgo-detektorn använde också pressat ljus. Vid instrumentet Advanced Virgo, En ljuskälla som utvecklats och byggts vid AEI Hannover baserat på designen som testades vid GEO600 används.

I framtiden, Klämda ljuskällor måste modifieras för att ytterligare öka känsligheten hos gravitationsvågsdetektorer. Den noggrant avstämda laserstrålningen de genererar får inte längre vara densamma på alla frekvenser. Dess egenskaper måste justeras så att den minskar kvantmekaniskt brus vid både höga och låga frekvenser. Utvecklingen av denna frekvensberoende squeezing pågår redan i den världsomspännande gemenskapen av gravitationsvågforskare inklusive GEO600. Två grupper har visat första framgångsrika experimentella demonstrationer våren 2020.