Квантовая запутанность в два раза увеличит чувствительность детекторов гравитационных волн

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.

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.