Квантовый шум гравитационных антенн воспроизвели при комнатной температуре

dept.aoe.vt.edu

Физики представили первую систему, в которой возможно непосредственное измерение порождаемого давлением излучения квантового шума — одного из основных факторов, ограничивающих точность гравитационно-волновых приемников следующего поколения. В результате у ученых появилась удобная испытательная модель для изучения методов преодоления данного ограничения, таких как использование сжатых состояний света. Описание разработки опубликовано в журнале Nature.

Современные детекторы гравитационных волн используют электромагнитное излучение для непрерывного слежения за положением тестовых масс. Они представляют собой оптические интерферометры, по плечам которых распространяются лазерные лучи, отражающиеся от зеркал. После многократного прохождения плеча импульсы излучения из разных плеч сводятся вместе и интерферируют. Если через такой приемник проходит гравитационная волна, то она слегка изменяет оптические длины путей между тестовыми массами (зеркалами), из-за чего лазерные импульсы приходят с задержкой и интерференционная картина изменяется.

Квантовая механика накладывает фундаментальный предел на точность таких непрерывных измерений. Он является следствием принципа неопределенности Гейзенберга: если увеличивать точность определения одной наблюдаемой величины (например, координаты), то будут увеличиваться ошибки в измерении сопряженной величины (импульса). Это явление получило название квантового обратного действия (quantum back action). В контексте гравитационно-волновых антенн это значит, что увеличение мощности лазерного излучения снижает вклад дробового шума — связанного с квантовой природой света шума счета фотонов, — но при этом неминуемо возрастает связанный с давлением излучения квантовый шум (quantum radiation pressure noise — QRPN).

Чувствительность гравитационно-волновых антенн первого поколения, таких как LIGO и Virgo, ограничивалась другими факторами, но для следующего поколения установок данного типа, к которым относятся Advanced LIGO, Advanced Virgo и KAGRA, предсказывается ведущая роль QRPN в качестве компонента шумов в диапазоне от 10 до 100 герц. Существует несколько концепций противодействия QRPN в случае гравитационных антенн, но до недавнего момента не существовало возможности проверить их экспериментально. Изучение этого явления осложняется тем, что обычно классические шумы, такие как вибрации и связанные с температурой флуктуации, доминируют, а вклад квантовых шумов незначителен.

В работе под руководством Томаса Корбитта (Thomas Corbitt) из Университета штата Луизиана описана система, в которой возможно непосредственное измерение QRPN в килогерцовом диапазоне при комнатной температуре. Разработка представляет собой хорошо отражающий монокристаллический микрорезонатор с низкими потерями и сильно подавленными тепловыми шумами, включенный в оптомеханическую систему в качестве одного из зеркал в интерферометре Фабри — Перо. Микрорезонатор состоит из соединенной с монокристаллом арсенида галлия оправы и зеркала из 23 пар четвертьволновых пластинок, пропускающих 250 миллионных долей падающего света. Механическая добротность микрорезонатора массой 50 нанограмм при комнатной температуре составила 16000, а оптическая добротность интерферометра — 13000.


Если включить установку, то излучение Nd:YAG-лазера будет использоваться как для измерения движения микрорезонатора, так и для его стабилизации от флуктуаций посредством системы с обратной связью. Дополнительный контур обратной связи отвечает за несовпадение резонансных частот интерферометра и лазерного излучения. После компенсации возмущений, отраженный от микрорезонатора свет используется для анализа его смещений. Измеряемой величиной является шумовой спектр фотодетектора PDM. Он состоит из нескольких компонент, из которых авторы работы рассматривают классические флуктуации интенсивности и частоты лазера, тепловой шум, дробовой шум, шум темнового тока фотодиода и QRPN. Основной вклад вносит тепловой шум, но работа устройства на малой мощности позволяет построить его модель в условиях пренебрежимо малого влияния следующего по важности компонента — QRPN.


Для непосредственного определения квантового обратного действия физики измеряли смещения микрорезонатора при пяти значениях мощности лазерного излучения: 10, 73, 110, 150 и 220 милливаттах. Оказалось, что QRPN примерно равен по мощности тепловому шуму на частотах от 100 до 10 кГц, затем тепловой становится доминирующим, но QRPN все еще можно измерить вплоть до 2 кГц, где его вклад составляет примерно 20%. Также физики проверили зависимость QRPN от мощности излучения, которая соответствовала предсказываемой теорией квадратичной.


Поиск гравитационных волн является примером измерений очень малых величин, поэтому для уверенной регистрации необходим учет множества факторов, а исказить данные могут самые неожиданные причины. Например, слушать гравитационные волны может помешать атмосфера и даже птицы. Тем не менее, физики значительно продвигаются в плане учета разных шумов. О революционности открытия гравитационных волн мы писали в материале «За волной волна».

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.