Осторожно, ниже квантовая механика!

СКП (или SQL, Standard Quantum Limit) - это понятие из квантовой механики. Так называют ограничение в точности измерений, которые проводятся многократно или длительно. Хорошим примером, к тому же подходящим к нашему случаю, является измерение расстояния до некоторой массы с максимально возможной точностью. Для измерения используется луч лазера. Зная длину волны лазера, начальную фазу волны и замерив фазу возвращенного луча, мы можем вычислить точное пройденное им расстояние. К сожалению, давление луча на тело вызовет в нем возмущения на квантовом уровне (квантовые дробовые флуктуации). Чем точнее требуется измерить координату, тем мощнее нужен лазерный луч, и тем больше будут эти самые флуктуации. Такой квантовый шум и создает погрешность измерения.

Фактически СКП является следствием фундаментального запрета квантовой физики - принципа неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности гласит, что при одновременном измерении двух величин произведение погрешностей не может быть меньше определенной константы. Грубо говоря, чем точнее мы измерим скорость квантовой частицы, тем менее точно можем определить ее положение. И наоборот. Важно отметить, что ограничения на точность измерений, накладываемые СКП, суровее ограничений принципа неопределенности Гейзенберга. Обойти последние в принципе невозможно без разрушения основ всей квантовой механики.

Способ обойти ограничение стандартного квантового предела предложили в американском детекторе гравитационных волн LIGO. Поиск гравитационных волн является одной из важнейших задач современной физики, однако пока что зарегистрировать их не удается из-за слишком низкой чувствительности существующей аппаратуры. Установка LIGO устроена очень просто. Она состоит из двух тоннелей с вакуумом, сходящихся под прямым углом. По трубам проходят лазерные лучи, а в их дальних их концах установлены зеркала (см. рис.). Именно расстояние до этих зеркал и измеряется лазером, как было описано выше. Особое значение имеет пересечение возвращающихся от зеркал лазерных лучей. Между ними возникает интерференция. За счет этого явления лучи либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Величина интерференции зависит от фазы лучей, а значит и от пройденного лучами пути. Теоретически такой прибор должен зафиксировать изменение расстояний между зеркалами при проходе через установку гравитационной волны, но на практике точность интерферометра пока что слишком мала.

Для обхода СКП еще около четверти века назад было предложено использовать так называемые сжатые состояния света. Их получили в 1985 году, однако реализовать идею на практике удалось лишь недавно. Большинство источников света, включая лазеры, такое излучение создать не способны, однако при помощи специальных кристаллов физики научились получать свет в сжатом состоянии. Луч лазера, проходящий через такой кристалл, подвергается спонтанному параметрическому рассеянию. Другими словами, некоторые фотоны превращаются из одного кванта в пару запутанных частиц.

Ученые продемонстрировали, что использование квантово коррелированных фотонов позволяет уменьшить ошибку измерений до величины, которая меньше стандартного квантового предела. К сожалению, без специальных знаний очень сложно понять (и, тем более, объяснить), как именно это происходит, но поведение запутанных фотонов как раз снижает тот самый квантовый дробовый шум, о котором говорилось вначале.

Исследователи подчеркивают, что внесенные ими изменения существенно подняли чувствительность детектора гравитационных волн в частотном диапазоне от 50 до 300 герц, который особенно интересен астрофизикам. Именно в этом диапазоне должны, согласно теории, излучаться волны при слиянии массивных объектов: нейтронных звезд или черных дыр.

• < Назад