LIGO överträffar kvantgränsen

Credit: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory
Credit: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory

År 2015 skrev Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historia när man för första gången direkt detekterade gravitationsvågor – krusningar i tid och rum – som producerades av ett par kolliderande svarta hål.

Sedan dess har LIGO och dess systerdetektor i Europa, Virgo, upptäckt gravitationsvågor från dussintals sammanslagningar mellan svarta hål samt från kollisioner mellan en närbesläktad klass av stjärnrester som kallas neutronstjärnor. Kärnan i LIGOs framgång är dess förmåga att mäta hur rumtiden sträcks ut och pressas samman på skalor som är 10 000 biljoner gånger mindre än ett mänskligt hårstrå.

Hur obegripligt små dessa mätningar än är har LIGO:s precision fortsatt att begränsas av kvantfysikens lagar. På mycket små, subatomära skalor fylls det tomma utrymmet av ett svagt knakande kvantbrus som stör LIGO:s mätningar och begränsar hur känsligt observatoriet kan vara.

I en artikel som accepterats för publicering i Physical Review X rapporterar LIGO-forskarna nu om ett betydande framsteg inom en kvantteknik som kallas ”squeezing” och som gör det möjligt för dem att kringgå denna gräns och mäta vågor i rumtiden över hela det spektrum av gravitationsfrekvenser som LIGO har upptäckt.

Denna nya ”frekvensberoende squeezing”-teknik, som varit i drift i LIGO sedan återupptagandet i maj 2023, innebär att detektorerna nu kan undersöka en större volym av universum och förväntas upptäcka ca 60% fler sammanslagningar än tidigare. Detta ökar kraftigt LIGO:s förmåga att studera de exotiska händelser som skakar om tid och rum.

”Vi kan inte kontrollera naturen, men vi kan kontrollera våra detektorer”, säger Lisa Barsotti, senior forskare vid MIT som övervakade utvecklingen av den nya LIGO-tekniken, ett projekt som ursprungligen omfattade forskningsexperiment vid MIT under ledning av Matt Evans, professor i fysik, och Nergis Mavalvala, Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics och dekanus för School of Science. Arbetet omfattar nu dussintals forskare och ingenjörer baserade på MIT, Caltech och de två LIGO-observatorierna i Hanford, Washington, och Livingston, Louisiana.

”Ett projekt av den här omfattningen kräver många olika personer, från anläggningar till teknik och optik – i princip hela LIGO Lab med viktiga bidrag från LIGO Scientific Collaboration. Det var en storslagen insats som blev ännu mer utmanande på grund av pandemin”, säger Barsotti.

”Nu när vi har överträffat denna kvantgräns kan vi göra mycket mer astronomi”, förklarar Lee McCuller, biträdande professor i fysik vid Caltech och en av ledarna för den nya studien. ”LIGO använder lasrar och stora speglar för att göra sina observationer, men vi arbetar på en känslighetsnivå som innebär att enheten påverkas av kvantområdet.”

Resultaten har också konsekvenser för framtida kvantteknik som kvantdatorer och annan mikroelektronik samt för grundläggande fysikexperiment. ”Vi kan ta det vi lärt oss från LIGO och tillämpa det på problem som kräver att man mäter avstånd i subatomär skala med otrolig noggrannhet”, säger McCuller.

”När NSF först investerade i att bygga de två LIGO-detektorerna i slutet av 1990-talet var vi entusiastiska över potentialen att observera gravitationsvågor”, säger NSF:s direktör Sethuraman Panchanathan. ”Dessa detektorer möjliggjorde inte bara banbrytande upptäckter, de gav också upphov till design och utveckling av ny teknik. Detta är verkligen ett exempel på NSF:s DNA – nyfikenhetsdrivna undersökningar i kombination med användningsinspirerade innovationer. Genom decennier av fortsatta investeringar och expansion av internationella partnerskap är LIGO ytterligare redo att främja rika upptäckter och tekniska framsteg.”

Kvantfysikens lagar föreskriver att partiklar, inklusive fotoner, slumpmässigt hoppar in och ut ur tomma utrymmen, vilket skapar ett bakgrundssus av kvantbrus som ger en osäkerhetsnivå till LIGO:s laserbaserade mätningar. Quantum squeezing, som har sina rötter i slutet av 1970-talet, är en metod för att dämpa kvantbrus, eller mer specifikt, för att skjuta bruset från en plats till en annan med målet att göra mer exakta mätningar.

Termen squeezing syftar på det faktum att ljus kan manipuleras som ett ballongdjur. För att göra en hund eller giraff kan man klämma en del av en lång ballong i en liten exakt placerad led. Men sedan sväller den andra sidan av ballongen ut till en större, mindre exakt storlek. Ljus kan på liknande sätt pressas för att bli mer exakt i en egenskap, till exempel dess frekvens, men resultatet är att det blir mer osäkert i en annan egenskap, till exempel dess styrka. Denna begränsning baseras på en grundläggande lag inom kvantmekaniken som kallas osäkerhetsprincipen, som säger att man inte kan känna till både position och momentum för objekt (eller frekvens och styrka för ljus) på samma gång.

Sedan 2019 har LIGOs tvillingdetektorer pressat ljus på ett sådant sätt att deras känslighet för det övre frekvensområdet av de gravitationsvågor som de detekterar har förbättrats. Men på samma sätt som när man klämmer åt ena sidan av en ballong så expanderar den andra sidan, har det ett pris att klämma åt ljuset. Genom att göra LIGO:s mätningar mer exakta vid de höga frekvenserna blev mätningarna mindre exakta vid de lägre frekvenserna.

”Vid en viss punkt kommer du inte att vinna mycket om du klämmer åt mer. Vi behövde förbereda oss för vad som skulle komma härnäst i vår förmåga att upptäcka gravitationsvågor”, förklarar Barsotti.

Med LIGOs nya frekvensberoende optiska kaviteter – långa rör som är ungefär lika långa som tre fotbollsplaner – kan teamet nu pressa ljuset på olika sätt beroende på vilken frekvens av gravitationsvågor som är intressant, och därmed minska bruset över hela LIGOs frekvensområde.

”Tidigare var vi tvungna att välja var vi ville att LIGO skulle vara mer exakt”, säger Rana Adhikari, medlem i LIGO-teamet och professor i fysik vid Caltech. ”Nu kan vi både äta kakan och ha den kvar. Vi har vetat ett tag hur vi ska skriva ner ekvationerna för att få det här att fungera, men det var inte klart att vi faktiskt kunde få det att fungera förrän nu. Det är som science fiction.”

Osäkerhet i kvantområdet

Varje LIGO-anläggning består av två 4 kilometer långa armar som är sammankopplade för att bilda ett ”L”. Laserstrålar färdas längs varje arm, träffar gigantiska upphängda speglar och färdas sedan tillbaka till där de började. När gravitationsvågor sveper förbi jorden får de LIGO:s armar att sträcka sig och pressas ihop, vilket gör att laserstrålarna inte är synkroniserade. Detta får ljuset i de två strålarna att interferera med varandra på ett specifikt sätt, vilket avslöjar förekomsten av gravitationsvågor.

Det kvantbrus som döljer sig inuti de vakuumrör som omsluter LIGO:s laserstrålar kan dock ändra tidpunkten för fotonerna i strålarna med ytterst små mängder. McCuller liknar denna osäkerhet i laserljuset vid en burk med BBs.

”Tänk dig att du häller ut en burk full med kulor. Alla träffar marken och klickar och klackar oberoende av varandra. Kulorna slår slumpmässigt i marken, och det skapar ett ljud. Ljusfotonerna är som BB:s och träffar LIGOs speglar vid oregelbundna tidpunkter”, säger han i en Caltech-intervju.

De klämtekniker som har funnits på plats sedan 2019 gör att ”fotonerna anländer mer regelbundet, som om fotonerna håller varandra i handen snarare än reser oberoende av varandra”, säger McCuller. Tanken är att göra ljusets frekvens, eller timing, mer säker och amplituden, eller kraften, mindre säker som ett sätt att dämpa de BB-liknande effekterna av fotonerna.

Detta åstadkoms med hjälp av specialiserade kristaller som i princip förvandlar en foton till ett par av två intrasslade (sammankopplade) fotoner med lägre energi. Kristallerna pressar inte direkt ljuset i LIGO:s laserstrålar, utan de pressar snarare ströljus i vakuumet i LIGO-rören, och detta ljus interagerar med laserstrålarna för att indirekt pressa laserljuset.

”Ljusets kvantnatur skapar problemet, men kvantfysiken ger oss också lösningen”, säger Barsotti.

En idé som började för årtionden sedan

Konceptet med att pressa sig själv går tillbaka till slutet av 1970-talet och började med teoretiska studier av den framlidne ryske fysikern Vladimir Braginsky, Kip Thorne, Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, Emeritus vid Caltech, och Carlton Caves, professor emeritus vid University of New Mexico.

Forskarna hade funderat över gränserna för kvantbaserade mätningar och kommunikation, och detta arbete inspirerade H. Jeff Kimble, William L. Valentine Professor of Physics, Emeritus vid Caltech, till en av de första experimentella demonstrationerna av squeezing 1986. Kimble jämförde pressat ljus med en gurka; säkerheten i ljusmätningarna pressas i endast en riktning, eller funktion, vilket förvandlar ”kvantkål till kvantgurka”, skrev han i en artikel i Caltechs tidskrift Engineering & Science 1993.

År 2002 började forskare fundera på hur man skulle kunna pressa in ljus i LIGO-detektorerna, och 2008 genomfördes den första experimentella demonstrationen av tekniken vid Caltechs 40-meters testanläggning. Under 2010 utvecklade MIT-forskare en preliminär design för en LIGO squeezer, som de testade vid LIGO:s anläggning i Hanford. Parallellt arbete som utfördes vid GEO600-detektorn i Tyskland övertygade också forskarna om att squeezing skulle fungera. Nio år senare, 2019, efter många försök och noggrant teamarbete, började LIGO pressa ljus för första gången.

”Vi gick igenom en hel del felsökning”, säger Sheila Dwyer, som har arbetat med projektet sedan 2008, först som doktorand vid MIT och sedan som forskare vid LIGO Hanford Observatory från och med 2013. ”Man började tänka på squeezing i slutet av 1970-talet, men det tog årtionden att få det rätt.”

För mycket av det goda

Som tidigare nämnts finns det dock en kompromiss som följer med squeezing. Genom att flytta kvantbruset från laserljusets timing, eller frekvens, har forskarna placerat bruset i laserljusets amplitud (effekt). De kraftigare laserstrålarna knuffar sedan runt LIGO:s tunga speglar och orsakar ett muller av oönskat brus som motsvarar gravitationsvågornas lägre frekvenser. Detta muller maskerar detektorernas förmåga att känna av lågfrekventa gravitationsvågor.

”Även om vi använder squeezing för att skapa ordning i vårt system och minska kaoset, betyder det inte att vi vinner överallt”, säger Dhruva Ganapathy, doktorand vid MIT och en av fyra huvudförfattare till den nya studien. ”Vi är fortfarande bundna av fysikens lagar.” De övriga tre huvudförfattarna till studien är Wenxuan Jia, doktorand vid MIT, Masayuki Nakano, postdoktor vid LIGO Livingston, och Victoria Xu, postdoktor vid MIT.

Tyvärr blir detta besvärliga mullrande ett ännu större problem när LIGO-teamet skruvar upp effekten på sina lasrar. ”Både klämningen och det faktum att vi skruvar upp effekten förbättrar vår kvantavkänningsprecision till den punkt där vi påverkas av kvantosäkerhet”, säger McCuller. ”Båda orsakar mer tryck på fotonerna, vilket leder till att speglarna mullrar. Laserkraft tillför helt enkelt fler fotoner, medan pressning gör dem mer klumpiga och därmed mullrande.”

En lösning som alla vinner på

Lösningen är att pressa ljuset på ett sätt för höga frekvenser av gravitationsvågor och på ett annat sätt för låga frekvenser. Det är som att gå fram och tillbaka mellan att pressa en ballong uppifrån och ner och från sidorna.

Detta åstadkoms genom LIGOs nya frekvensberoende klämkavitet, som styr ljusvågornas relativa faser på ett sådant sätt att forskarna selektivt kan flytta kvantbruset till olika egenskaper hos ljuset (fas eller amplitud) beroende på gravitationsvågornas frekvensområde.

”Det är sant att vi gör en riktigt cool kvantgrej, men den verkliga anledningen till detta är att det är det enklaste sättet att förbättra LIGO:s känslighet”, säger Ganapathy. ”Annars skulle vi behöva skruva upp lasern, vilket har sina egna problem, eller så skulle vi behöva öka storleken på speglarna kraftigt, vilket skulle bli dyrt.”

LIGO:s partnerobservatorium Virgo kommer sannolikt också att använda frekvensberoende squeezing-teknik under den nuvarande perioden, som kommer att pågå ungefär till slutet av 2024. Nästa generations större gravitationsvågsdetektorer, som den planerade markbaserade Cosmic Explorer, kommer också att dra nytta av fördelarna med pressat ljus.

Med sin nya frekvensberoende squeezing cavity kan LIGO nu upptäcka ännu fler kollisioner mellan svarta hål och neutronstjärnor. Ganapathy säger att han är mest exalterad över att fånga fler neutronstjärnekrockar. ”Med fler detektioner kan vi se neutronstjärnorna slita sönder varandra och lära oss mer om vad som finns inuti.”

”Äntligen kan vi dra nytta av vårt gravitationsuniversum”, säger Barsotti. ”I framtiden kan vi förbättra vår känslighet ännu mer. Jag skulle vilja se hur långt vi kan driva det.”

Studien har titeln ”Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing”. Många andra forskare bidrog till utvecklingen av arbetet med squeezing och frekvensberoende squeezing, däribland Mike Zucker från MIT och GariLynn Billingsley från Caltech, som ledde uppgraderingen ”Advanced LIGO Plus” som inkluderar den frekvensberoende squeezing-kaviteten; Daniel Sigg från LIGO Hanford Observatory; Adam Mullavey från LIGO Livingston Laboratory; och David McClellands grupp från Australian National University.

Ytterligare information: Dhruva Ganapathy et al, Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing (2023).

Denna artikel återpubliceras från MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT:s forskning, innovation och undervisning.

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.