Впервые показано влияние квантовых флуктуаций на поведение макроскопических систем

Впервые в истории совместная работа исследователей в рамках нового проекта LIGO позволила напрямую зафиксировать прямое воздействие мощных квантовых флуктуаций на  макроскопический объект в виде зеркала массой около 40 килограммов. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Nature. Согласно одному из фундаментальных прогнозов квантовой теории поля, вакуум пространства не является пустым, а представляет собой среду, насыщенную виртуальными частицами, непрерывно возникающими и исчезающими вследствие квантовых флуктуаций. Хотя эти флуктуации характеризуются малой интенсивностью, современные технологии позволяют обнаружить их влияние на физические поля или микроскопические объекты. Однако, в повседневной жизни, имея дело с макроскопическими системами, мы не способны почувствовать напрямую влияние квантовых флуктуаций. Обсерватория LIGO, где были впервые детектированы гравитационные волны, является одной из самых точных установок в мире.

Yu, H, et al. / Nature

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

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

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.

Автор: Михаил Перельштейн
Источник: https://nplus1.ru/