Преодоление ограничений Гейзенберга по умолчанию
Вместо того, чтобы позволить природе сделать выбор (то есть выбрать ваше оборудование "по умолчанию"), исследователи, которые проектируют и работают с оптическими системами, лежащими в основе LIGO, - производят лазерные импульсы, отражают их от зеркал и рекомбинируют их. чтобы создать интерференционную картину - начали оптимизировать этот компромисс, чтобы максимизировать количество информации, которую можно извлечь из сигнала гравитационных волн.
Благодаря еще большим усилиям, средства LIGO теперь использовали так называемое частотно-зависимое квантовое сжатие, при котором большая неопределенность амплитуды выбирается на более поздних этапах слияния, а большая неопределенность фазы выбирается на более ранних этапах слияния, чтобы улучшить на чувствительности "по умолчанию", которая ранее достигалась, когда природа принимала это решение. В результате, примечательно, чувствительность обнаружения LIGO теперь улучшилась исключительно благодаря достижениям в области квантового сжатия, на целых 65%: это позволяет нам обнаруживать слияния на больших расстояниях, чем это было бы возможно в противном случае, а также видеть и характеризовать сигналы более слабой амплитуды (например, меньшей массы или большего радиуса), чем это было бы возможно в противном случае. Кроме того, это улучшение должно позволить лучше определять характеристики источников, помогая ученым определить свойства (такие как масса и расстояние) для любых наблюдаемых слияний.
Одна из проблем этого метода заключается в том, что зеркала, отражающие лазерный свет LIGO, сами по себе являются источником квантового шума: даже при криогенных температурах и с самым чистым вакуумом внутри лазерных рукавов, когда-либо созданных на Земле. На высоких частотах знание амплитуды сигнала менее важно, поскольку именно знание фаз (то есть времени прихода света в двух плечах относительно друг друга) помогает улучшить чувствительность LIGO. Однако "выжимание" максимума из фаз на высоких частотах приводит к тому, что сами зеркала вибрируют вперед и назад: явление, известное как "гул" внутри зеркал LIGO.
Однако на более низких частотах свет можно сжать иным способом: оптимизировать амплитуду волны (уменьшив этот "гул") за счет менее известной фазы, что приемлемо и предпочтительно, поскольку Низкочастотная фазовая характеристика этих источников менее важна, чем фазовые сигналы высокой частоты, для обучения нас свойствам этих источников. Однако оптимизация амплитуды на низких частотах помогает нам идентифицировать сигнал раньше, чем когда-либо, что дает нам больше данных для работы. Видео, объясняющее частотно-зависимое квантовое сжатие LIGO, включено сюда, чтобы дополнительно проиллюстрировать, что происходит. С 2019 года LIGO использовала технику квантового сжатия, применяя ее к свету, путешествующему в их полостях, но не смогла контролировать это "сжатие" в частотно-зависимой зависимости. У вас будет квантовый шум в фазе (или частоте) вашего лазерного луча, который влияет на то, насколько хорошо вы сможете измерить время сигналов гравитационных волн, к которым чувствителен LIGO. Точно так же у вас также будет квантовый шум в амплитуде (или мощности) лазерного луча, с большей неопределенностью амплитуды, влияющей на движение ваших зеркал, что конкретно ограничивает чувствительность LIGO к низкочастотным гравитационным волнам. Разработав и внедрив новый частотно-зависимый сжимающий резонатор, LIGO теперь пользуется лучшим из обоих миров: высокие частоты имеют большую фазовую чувствительность, а низкие частоты имеют большую амплитудную чувствительность.
Как выразился профессор Рана Адхикари из Калифорнийского технологического института: "Раньше нам приходилось выбирать, где мы хотим, чтобы LIGO был более точным. Теперь мы можем съесть наш торт и получить его тоже. Мы уже давно знали, как записать уравнения, чтобы это работало, но до сих пор не было ясно, сможем ли мы действительно заставить это работать. Это похоже на научную фантастику".
Несмотря на то, что LIGO - это не просто макроскопическое предприятие, а огромное - в конце концов, его двойные лазерные лучи имеют длину 4 километра каждое - природа того, как он работает, гарантирует, что даже крошечные квантовые эффекты важны настолько, насколько важны его точные возможности. обеспокоенный. Хотя LIGO начала собирать свет для своего третьего (O3) запуска данных в 2019 и 2020 годах, она была закрыта для обновления перед новым запуском наблюдений. Начав свой четвертый (O4) запуск в мае 2023 года с этими новыми частотно-зависимыми резонаторами для сжатия света, двойные детекторы LIGO будут работать до начала 2025 года, а в начале 2025 года к ним присоединится модернизированный детектор Virgo (также использующий сжатый свет). всего несколько месяцев.