Zvýšení detektorů gravitačních vln pomocí kvantových triků

Eyes on the Skies (Full movie) (Smět 2019).

Anonim

Skupina vědců z Institutu Niels Bohr (NBI) na univerzitě v Kodani brzy začne vyvíjet novou řadu technických zařízení, která dramaticky zlepší detektory gravitačních vln.

Detektory gravitačních vln jsou extrémně citlivé a mohou například zaznamenávat kolizní neutronové hvězdy v prostoru. Přesto je požadována ještě vyšší citlivost, aby se rozšířily naše znalosti o Vesmíru a vědci NBI jsou přesvědčeni, že jejich vybavení může zlepšit detektory, říká profesor Eugene Polzik: "A my bychom měli být schopni ukázat důkaz konceptu v přibližně tři roky."

Pokud vědci NBI dokáží vylepšit detektory gravitačních vln, pokud budou "realisticky očekávat, že to bude možné udělat", detektory budou schopny sledovat a provádět měření v osmikrát větším objemu prostoru, než je to, co je v současné době možné, vysvětluje Eugene Polzik: "To bude skutečně významné rozšíření."

Polzik je vedoucím kvantové optiky (Quantop) v NBI a bude vedoucím vývojem zařízení na míru pro detektory gravitačních vln. Výzkum, který je podporován Evropskou unií, projekty Eureka Network a americká nadace John Templeton s granty ve výši 10 milionů DKK, se uskuteční v laboratoři Eugena Polzika v NBI.

Sledovala to srážka

Zprávy z médií po celém světě se v říjnu roku 2017 posunuly do přeplněnosti, kdy bylo potvrzeno, že velký mezinárodní tým vědců skutečně změřil kolizi dvou neutronových hvězd; událost, která se odehrála 140 milionů světelných let od Země a vyústila v vytvoření kilonové.

Mezinárodní tým vědců - který také zahrnoval odborníky z NBI - dokázal tuto kolizi potvrdit měřením gravitačních vln z vesmírných vln v samotné plošině času, pohybujících se rychlostí světla. Vlny byly zaznamenány třemi gravitačními vlnovými detektory: dvěma detektory LIGO na bázi US a evropským detektorem Virgo v Itálii.

"Tyto detektory gravitačních vln představují zdaleka nejcitlivější měřicí zařízení, které člověk ještě vyrobil - detektory stále nejsou tak přesné, jak by mohly být. A to je to, čeho se snažíme zlepšit, " říká profesor Eugene Polzik.

Jak to lze udělat, je popsáno v článku, který nedávno zveřejnil ve vědeckém časopise Physical Review Letters Eugene Polzik a jeho kolega Farid Khalili z LIGO a Moskevská státní univerzita. A není to jen teoretický návrh, říká Eugene Polzik:

"Jsme přesvědčeni, že to bude fungovat tak, jak bylo zamýšleno. Naše výpočty ukazují, že bychom měli zlepšit přesnost měření prováděných gravitačními vlnovými detektory o dva faktory, a pokud uspějeme, bude to mít za následek zvýšení o což je faktor osm z objemu v prostoru, který detektory gravitačních vln dokážou v současné době prozkoumat. "

Malá skleněná buňka

V červenci loňského roku Eugene Polzik a jeho tým v Quantopu publikovali v Přírodě velmi pozorný článek - a tato práce je vlastně samotným základem jejich nadcházejícího pokusu o zlepšení detektorů gravitačních vln.

Článek v Přírodě se soustředil na "fooling" Heisenbergův princip nejistoty, který v podstatě říká, že nemůžete současně znát přesnou polohu a přesnou rychlost objektu.

To souvisí se skutečností, že pozorování prováděná světlem na předmětu nevyhnutelně povede k tomu, že objekt je "namočený" v náhodných směrech fotony, částice světla. Tento jev je známý jako Quantum Back Action (QBA) a tyto náhodné pohyby omezují přesnost, s jakou lze měření provádět na kvantové úrovni.

Článek v přírodě v létě roku 2017 se dostal do titulků, protože Eugene Polzik a jeho tým dokázali, že je - do značné míry - skutečně možné neutralizovat QBA.

A QBA je právě důvod, proč detektory gravitačních vln - které také pracují se světlem, a to laserové světlo - nejsou tak přesné, jak by mohly být, "říká profesor Polzik.

Jednoduše řečeno, je možné neutralizovat QBA, pokud je světlo, které je používáno k pozorování objektu, zpočátku vysláno přes "filtr". Právě to popsal článek Nature - a "filtr", který vyvinuli vědci NBI v Quantopu popsaným způsobem sestával z oblaku 100 milionů atomů cesia zablokovaných v hermeticky uzavřené skleněné buňce jen o jeden centimetr dlouhý, 1/3 milimetru vysoký a 1/3 milimetr široký.

Principem tohoto filtru je přesně to, co Polzik a jeho tým zamýšlejí začlenit do detektorů gravitačních vln.

Teoreticky lze optimalizovat měření gravitačních vln přepnutím na silnější laserové světlo, než detektory v Evropě a USA pracují. Nicméně podle kvantové mechaniky to není možnost, říká Eugene Polzik:

"Přechod na silnější laserové světlo způsobí, že se v detektoru objeví více zrcadel, protože Quantum Back Action bude způsobeno více fotony." "Tato zrcadla jsou naprosto zásadní a pokud se začnou třást, tím se zvýší nepřesnost."

Místo toho vědci NBI přišli s plánem založeným na atomovém filtru, který demonstrovali v článku Příroda: Pošlou laserové světlo, kterým detektory gravitačních vln pracují pomocí vyhotovené verze buňky na míru zamořených atomů, říká Eugene Polzik: "A doufáme, že to bude dělat."

menu
menu