Het universum, gezien door de lens van de kwantummechanica, is een luidruchtige, knetterende ruimte waar deeltjes constant in en uit het bestaan ​​knipperen, het creëren van een achtergrond van kwantumruis waarvan de effecten normaal gesproken veel te subtiel zijn om te detecteren in alledaagse objecten.

Nu voor het eerst, een team onder leiding van onderzoekers van het MIT LIGO Laboratory heeft de effecten van kwantumfluctuaties op objecten op menselijke schaal gemeten. In een paper gepubliceerd in Natuur , rapporteren de onderzoekers dat kwantumfluctuaties, hoe klein ze ook zijn, kan niettemin een object "schoppen" zo groot als de 40-kilogram spiegels van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation, waardoor ze een klein beetje bewegen, die het team kon meten.

Het blijkt dat de kwantumruis in de detectoren van LIGO voldoende is om de grote spiegels 10 . te verplaatsen ^-20 meter - een verplaatsing die werd voorspeld door de kwantummechanica voor een object van deze grootte, maar dat was nog nooit eerder gemeten.

"Een waterstofatoom is 10 ^-10 meter, dus deze verplaatsing van de spiegels is voor een waterstofatoom wat een waterstofatoom voor ons is - en dat hebben we gemeten, " zegt Lee McCuller, een onderzoekswetenschapper aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT.

De onderzoekers gebruikten een speciaal instrument dat ze ontwierpen, een kwantumpers genoemd, om "de kwantumruis van de detector te manipuleren en zijn kicks naar de spiegels te verminderen, op een manier die uiteindelijk de gevoeligheid van LIGO bij het detecteren van zwaartekrachtsgolven zou kunnen verbeteren, " legt Haocun Yu uit, een afgestudeerde natuurkundestudent aan het MIT.

"Het bijzondere aan dit experiment is dat we kwantumeffecten hebben gezien op iets zo groot als een mens, " zegt Nergis Mavalvala, de Marble Professor en associate hoofd van de afdeling natuurkunde aan het MIT. "Wij ook, elke nanoseconde van ons bestaan, er wordt geschopt, geteisterd door deze kwantumfluctuaties. Het is gewoon dat de kriebels van ons bestaan, onze thermische energie, is te groot om deze kwantumvacuümfluctuaties onze beweging meetbaar te beïnvloeden. Met de spiegels van LIGO, we hebben al dit werk gedaan om ze te isoleren van thermisch aangedreven bewegingen en andere krachten, zodat ze nu nog steeds genoeg zijn om rondgeschopt te worden door kwantumfluctuaties en deze spookachtige popcorn van het universum."

Ja, Mavalvala, en McCuller zijn co-auteurs van het nieuwe artikel, samen met afgestudeerde student Maggie Tse en hoofdonderzoeker Lisa Barsotti aan het MIT, samen met andere leden van de LIGO Wetenschappelijke Samenwerking.

Een kwantumkick

LIGO is ontworpen om zwaartekrachtsgolven te detecteren die op de aarde aankomen van catastrofale bronnen die miljoenen tot miljarden lichtjaren verwijderd zijn. Het bestaat uit twee dubbele detectoren, een in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana. Elke detector is een L-vormige interferometer die bestaat uit twee 4 kilometer lange tunnels, aan het uiteinde hangt een spiegel van 40 kilogram.

Om een ​​zwaartekrachtgolf te detecteren, een laser aan de ingang van de LIGO-interferometer zendt een lichtstraal door elke tunnel van de detector, waar het weerkaatst op de spiegel aan de andere kant, om weer bij het beginpunt te komen. Bij afwezigheid van een zwaartekrachtgolf, de lasers moeten precies op hetzelfde moment terugkeren. Als er een zwaartekrachtgolf doorheen gaat, het zou de positie van de spiegels even verstoren, en daarmee de aankomsttijden van de lasers.

Er is veel gedaan om de interferometers af te schermen van externe ruis, zodat de detectoren een betere kans hebben om de buitengewoon subtiele verstoringen te detecteren die worden veroorzaakt door een inkomende zwaartekrachtgolf.

Mavalvala en haar collega's vroegen zich af of LIGO ook zo gevoelig zou kunnen zijn dat het instrument zelfs subtielere effecten zou kunnen voelen, zoals kwantumfluctuaties binnen de interferometer zelf, en specifiek, kwantumruis gegenereerd tussen de fotonen in LIGO's laser.

"Deze kwantumfluctuatie in het laserlicht kan een stralingsdruk veroorzaken die een object kan schoppen, " voegt McCuller toe. "Het object in ons geval is een spiegel van 40 kilogram, dat is een miljard keer zwaarder dan de objecten op nanoschaal waarin andere groepen dit kwantumeffect hebben gemeten."

Ruisknijper

Om te zien of ze de beweging van de enorme spiegels van LIGO konden meten als reactie op kleine kwantumfluctuaties, het team gebruikte een instrument dat ze onlangs hebben gebouwd als aanvulling op de interferometers, die ze een kwantumpers noemen. Met de knijper, wetenschappers kunnen de eigenschappen van de kwantumruis afstemmen binnen de interferometer van LIGO.

Het team heeft eerst de totale ruis gemeten in de interferometers van LIGO, inclusief de achtergrond kwantumruis, evenals "klassieke" ruis, of storingen veroorzaakt door normale, alledaagse trillingen. Vervolgens zetten ze de pers aan en zetten deze in een specifieke staat die de eigenschappen van kwantumruis specifiek veranderde. Ze konden vervolgens de klassieke ruis aftrekken tijdens gegevensanalyse, om de zuiver kwantumruis in de interferometer te isoleren. Omdat de detector constant de verplaatsing van de spiegels controleert op eventuele inkomende ruis, de onderzoekers konden waarnemen dat de kwantumruis alleen voldoende was om de spiegels te verplaatsen, tegen 10 ^-20 meter.

Mavalvala merkt op dat de meting precies overeenkomt met wat de kwantummechanica voorspelt. "Maar toch is het opmerkelijk om te zien dat het wordt bevestigd in iets zo groots, " ze zegt.

Een stap verder gaan, het team vroeg zich af of ze de kwantumpers konden manipuleren om de kwantumruis in de interferometer te verminderen. De pers is zo ontworpen dat wanneer deze in een bepaalde staat wordt het "knijpt" bepaalde eigenschappen van de kwantumruis, in dit geval, fase en amplitude. Fasefluctuaties kunnen worden gezien als voortkomend uit de kwantumonzekerheid in de reistijd van het licht, terwijl amplitudefluctuaties kwantumschoppen geven aan het spiegeloppervlak.

"We denken aan de kwantumruis als verdeeld over verschillende assen, en we proberen het geluid in een specifiek aspect te verminderen, "zegt Yu.

Wanneer de pers in een bepaalde stand staat, het kan bijvoorbeeld knijpen, of de onzekerheid in fase verkleinen, terwijl ze tegelijkertijd uitzetten, of het vergroten van de onzekerheid in amplitude. Door de kwantumruis onder verschillende hoeken in te knijpen, zouden verschillende verhoudingen van fase- en amplituderuis binnen de detectoren van LIGO worden geproduceerd.

De groep vroeg zich af of het veranderen van de hoek van dit knijpen kwantumcorrelaties zou creëren tussen LIGO's lasers en zijn spiegels, op een manier die ze ook konden meten. Hun idee testen, het team zette de pers in 12 verschillende hoeken en ontdekte dat, inderdaad, ze konden correlaties meten tussen de verschillende distributies van kwantumruis in de laser en de beweging van de spiegels.

Door deze kwantumcorrelaties, het team was in staat om de kwantumruis te persen, en de resulterende spiegelverplaatsing, tot 70 procent van het normale niveau. Deze meting, overigens, lager is dan wat de standaard kwantumlimiet wordt genoemd, die, in de kwantummechanica, stelt dat een bepaald aantal fotonen, of, in het geval van LIGO, een bepaald niveau van laservermogen, wordt verwacht dat het een bepaald minimum aan kwantumfluctuaties genereert die een specifieke "kick" zouden genereren voor elk object op hun pad.

Door geperst licht te gebruiken om de kwantumruis in de LIGO-meting te verminderen, het team heeft een meting gedaan die nauwkeuriger is dan de standaard kwantumlimiet, het verminderen van die ruis op een manier die LIGO uiteindelijk zal helpen zwakkere, verder verwijderde bronnen van zwaartekrachtgolven.