Öka gravitationsvågdetektorer med kvanttrickor

Ät rätt och öka din förbränning - Nyhetsmorgon (TV4) (Maj 2019).

Anonim

En grupp forskare från Niels Bohr-institutet (NBI) vid Köpenhamns universitet börjar snart utveckla en ny rad teknisk utrustning för att dramatiskt förbättra gravitationsvågdetektorerna.

Gravitationsvågdetektorer är extremt känsliga och kan t.ex. registrera kolliderande neutronstjärnor i rymden. Men ännu högre känslighet eftersträvas för att utöka vår kunskap om universum, och NBI-forskarna är övertygade om att deras utrustning kan förbättra detektorerna, säger professor Eugene Polzik: "Och vi borde kunna visa bevis på koncept inom ungefär tre år."

Om NBI-forskarna kan förbättra gravitationsvågdetektorerna så mycket som de "realistiskt kan förvänta sig" kommer detektorerna att kunna övervaka och genomföra mätningar i en åtta gånger större volym än vad som för närvarande är möjligt, förklarar Eugene Polzik: "Detta kommer att representera en verkligt betydande förlängning."

Polzik är chef för Quantum Optics (Quantop) vid NBI och han kommer att spåra utvecklingen av skräddarsydd utrustning för gravitationsteaktorer. Forskningen - som stöds av EU, Eureka Network Projects och den amerikanska baserade John Templeton Foundation med bidrag på totalt 10 miljoner kronor - kommer att genomföras i Eugene Polziks laboratorium på NBI.

En kollision märktes väl

Nyhetsmedier över hela världen flyttade till overdrive i oktober 2017 när det bekräftades att ett stort internationellt team av forskare verkligen hade mätt kollisionen hos två neutronstjärnor; en händelse som ägde rum 140 miljoner ljusår från jorden och resulterade i bildandet av en kilonova.

Det internationella teamet av forskare - som också inkluderade experter från NBI - kunde bekräfta kollisionen genom att mäta gravitationsvågor från rymdvågor i tyget av rymdtid, som rör sig med ljusets hastighet. Vågorna registrerades av tre gravitationsvågdetektorer: de två USA-baserade LIGO-detektorerna och den europeiska jomfrudetektorn i Italien.

"Dessa gravitationsvågdetektorer representerar den mest känsliga mätutrustning som människan ännu har tillverkat, men det är fortfarande inte så noggranna som möjligt. Och det är det vi tänker förbättra, säger professor Eugene Polzik.

Hur detta kan göras beskrivs i en artikel som Eugene Polzik och en kollega Farid Khalili från LIGO-samarbetet och Moscow State University nyligen har publicerat i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters. Och det här är inte bara ett teoretiskt förslag, säger Eugene Polzik:

"Vi är övertygade om att detta kommer att fungera som det är tänkt. Våra beräkningar visar att vi borde kunna förbättra precisionen av mätningar utförda av gravitationsvågdetektorerna med en faktor två. Och om vi lyckas kommer detta att resultera i en ökning med en faktor av åtta av volymen i rymden som gravitationstecken detektorer kan undersöka för närvarande. "

En liten glascell

I juli förra året publicerade Eugene Polzik och hans team på Quantop en mycket uppmärksammad artikel i naturen - och det här arbetet är faktiskt grunden för sitt kommande försök att förbättra gravitationsvågdetektorerna.

Artikeln i Naturen fokuserade på "lurar" Heisenbergs osäkerhetsprincip, som i grunden säger att du inte samtidigt kan känna till den exakta positionen och den exakta hastigheten på ett objekt.

Detta har att göra med det faktum att observationer som utförs av lysande ljus på ett objekt oundvikligen kommer att leda till att objektet "sparkas" i slumpmässiga riktningar av fotoner, ljuspartiklar. Detta fenomen är känt som Quantum Back Action (QBA) och dessa slumpmässiga rörelser sätter gränsen för noggrannheten med vilka mätningar kan utföras på kvantnivå.

Artikeln i naturen sommaren 2017 gjorde rubriker eftersom Eugene Polzik och hans team kunde visa att det i stor utsträckning faktiskt är möjligt att neutralisera QBA.

Och QBA är själva orsaken till att gravitationsvågdetektorer - som också fungerar med ljus, nämligen laserljus - inte är lika exakta som de kan vara, "som professor Polzik säger.

Enkelt uttryckt är det möjligt att neutralisera QBA om det ljus som används för att observera ett objekt först skickas via ett "filter". Det var vad artikeln i Nature beskrev - och det "filter" som NBI-forskarna på Quantop hade utvecklat och beskrivet bestod av ett moln på 100 miljoner cesiumatomer som var låst i en hermetiskt sluten glascell bara en centimeter lång, en tredjedel av en millimeter hög och en tredjedel av en millimeter bred.

Principen bakom detta "filter" är precis vad Polzik och hans team syftar till att införliva i gravitationsvågdetektorer.

I teorin kan man optimera mätningar av gravitationella vågor genom att växla till starkare laserljus än detektorerna i både Europa och USA arbetar med. Men enligt kvantmekanik är det inte ett alternativ, säger Eugene Polzik:

"Att byta till starkare laserljus gör att en uppsättning speglar i detektorerna skakar mer eftersom Quantum Back Action kommer att orsakas av fler fotoner. Dessa speglar är helt avgörande, och om de börjar skaka, kommer det faktiskt att öka felaktigheten."

Istället har NBI-forskarna kommit fram till en plan baserad på atomfiltret som de visade i Naturartikeln: De kommer att skicka laserljuset genom vilket gravitationsteckendetektorerna arbetar genom en skräddarsydd version av cellen med spärrade atomer, säger Eugene Polzik: "Och vi hoppas att det kommer att göra jobbet."

menu
menu