양자 변동은 인간 규모에서 물체를 흔들 수 있다

작은 양자 효과에 반응하여 움직이는 LIGO의 거울

양자 역학의 렌즈를 통해 볼 수 있듯이 우주는 입자가 존재 안팎으로 끊임없이 깜박이는 시끄럽고 딱딱한 공간으로, 일반적으로 일상적인 물체에서 감지하기에는 효과가 너무 미묘한 양자 노이즈의 배경을 생성합니다. 이제 처음으로 MIT LIGO 연구소의 연구진이 이끄는 팀이 인간 규모의 물체에 대한 양자 변동의 영향을 측정했습니다. 오늘 네이처 지에 발표된 논문에서 연구원들은 미국 국립 과학 재단의 레이저 간섭계 중력파 관측소의 40 킬로그램 거울만큼 큰 물체를 작은 크기의 양자 변동이 "차일"수 있다고 보고 했습니다. LIGO를 사용하여 팀이 측정할 수 있는 작은 각도로 움직였습니다. LIGO 검출기의 양자 노이즈는 대형 거울을 10-20 미터 이동하기에 충분합니다. 이 변위는 이 크기의 물체에 대해 양자 역학에 의해 예측되었지만 이전에는 측정되지 않은 변위입니다. MIT의 카블리 천체 물리학 및 우주 연구소의 연구원 인 리 맥큘러는 수소 원자는 10-10 미터입니다. 따라서 거울의 이 변위는 수소 원자가 우리에게 수소 원자가 되는 것과 같습니다. 우리는 이를 측정했습니다"라고 말했습니다. 연구진은 양자 압착기라고 하는 특수 기기를 사용하여 "검출기의 양자 잡음을 조작하고 거울에 대한 발차기를 줄여 궁극적으로 중력파를 감지하는 LIGO의 감도를 향상할 수 있습니다."라고 하오쿤 유는 설명합니다. "이 실험의 특별한 점은 우리가 인간만큼 큰 것에 양자 효과를 보았다는 것입니다."라고 대리석 교수이자 MIT 물리학과의 부소장 인 너지스 마발발라는 말합니다. 우리도 존재의 매 나노초마다 이러한 양자 변동으로 인해 쫓겨나고 있습니다. 우리 존재의 지터, 우리의 열 에너지가 이러한 양자 진공 변동이 우리의 움직임에 측정 가능한 영향을 미치기에는 너무 크다는 것입니다. LIGO의 거울을 사용하여 우리는이 모든 작업을 수행하여 열에 의한 운동 및 기타 힘으로부터 분리하여 양자 변동과 우주의 이 으스스한 팝콘에 쫓겨날 수 있습니다. 유, 마발발라, 매큘러는 LIGO 구체적 협력의 다른 회원들과 함께 대학원생 매기 트세 및 MIT의 수석 연구 과학자 리사 바르소티와 함께 새 논문의 공동 저자입니다. LIGO는 수백만 광년에서 수십억 광년 떨어진 대격변 소스에서 지구에 도달하는 중력파를 감지하도록 설계되었습니다. 하나는 워싱턴 주 핸포드에 있고 다른 하나는 루이지애나 주 리빙스턴에 있는 쌍둥이 감지기로 구성됩니다. 각 탐지기는 4km 길이의 터널 2 개로 구성된 L 자형 간섭계로, 끝에 40kg의 거울이 달려 있습니다. 중력파를 감지하기 위해 LIGO 간섭계의 입력에 위치한 레이저는 탐지기의 각 터널 아래로 광선을 보내 먼 쪽의 거울에서 반사되어 시작점에 다시 도달합니다. 중력파가 없는 경우 레이저는 동일한 정확한 시간에 복귀해야 합니다. 중력파가 통과하면 거울의 위치와 레이저의 도착 시간을 잠시 방해합니다. 간섭계를 외부 소음으로부터 보호하기 위해 많은 작업이 수행되어 탐지기가 들어오는 중력파에 의해 생성되는 매우 미묘한 장애를 더 잘 포착할 수 있습니다. 마발발라와 그녀의 동료들은 LIGO가 간섭계 자체 내의 양자 변동, 특히 LIGO 레이저의 광자 사이에서 생성되는 양자 노이즈와 같은 미묘한 효과를 기기가 느낄 수 있을 만큼 충분히 민감할 수 있는지 궁금해했습니다. "레이저 광의 이러한 양자 변동은 실제로 물체를 차게 할 수 있는 복사 압력을 유발할 수 있습니다."라고 맥큘러는 덧붙입니다. 우리의 경우 물체는 40kg의 거울로 다른 그룹이 이 양자 효과를 측정 한 나노 크기 물체보다 10 억 배 더 무겁습니다. 소음 압착기, 작은 양자 변동에 대한 반응으로 LIGO의 거대한 거울의 움직임을 측정할 수 있는지 확인하기 위해 팀은 최근에 제작 한 기기를 간섭계의 추가 장치로 사용했는데, 이를 양자 압착기라고 부릅니다. 압착기를 사용하여 과학자들은 LIGO의 간섭계 내에서 양자 잡음의 속성을 조정할 수 있습니다. 연구팀은 먼저 배경 양자 잡음뿐만 아니라 "고전적인"잡음 또는 일상적인 진동에서 발생하는 교란을 포함하여 LIGO의 간섭계 내 총잡음을 측정했습니다. 그런 다음 압착기를 켜고 양자 잡음의 속성을 특별히 변경 한 특정 상태로 설정했습니다. 그런 다음 데이터 분석 중에 기존 노이즈를 빼서 간섭계에서 순전히 양자 노이즈를 분리할 수 있었습니다. 검출기가 들어오는 노이즈에 대한 미러의 변위를 지속적으로 모니터링함에 따라 연구원들은 양자 노이즈만으로 미러를 10-20 미터만큼 변위 시킬 수 있음을 관찰할 수 있었습니다. 마발발라는 측정이 양자 역학이 예측하는 것과 정확히 일치한다고 말합니다. "하지만 여전히 그렇게 큰 것으로 확인된 것은 놀랍습니다."라고 그녀는 말합니다. 한 걸음 더 나아가, 팀은 간섭계 내의 양자 잡음을 줄이기 위해 양자 압착기를 조작할 수 있는지 궁금해했습니다. 압착기는 특정 상태로 설정될 때 양자 잡음의 특정 속성 (이 경우 위상 및 진폭)을 "압착"하도록 설계되었습니다. 위상 변동은 빛의 이동 시간의 양자 불확도에서 발생하는 것으로 생각할 수 있으며, 진폭 변동은 거울 표면에 양자 킥을 부여합니다. 유는 양자 잡음이 서로 다른 축을 따라 분포된 것으로 생각하고 특정 측면에서 잡음을 줄이려고 노력합니다. 압착기가 특정 상태로 설정되면 예를 들어 위상의 불확실성을 압축하거나 좁히는 동시에 진폭의 불확실성을 확장하거나 증가시킬 수 있습니다. 다른 각도에서 양자 노이즈를 압착하면 LIGO의 검출기 내에서 위상 및 진폭 노이즈의 비율이 달라집니다. 이 그룹은 이 압착 각도를 변경하면 LIGO의 레이저와 거울 사이에 양자 상관관계가 생성될 수 있는지 궁금해했습니다. 그들의 아이디어를 테스트한 결과, 팀은 스 퀴저를 12 개의 다른 각도로 설정했고 실제로 레이저의 다양한 양자 잡음 분포와 거울의 움직임 사이의 상관관계를 측정할 수 있음을 발견했습니다. 이러한 양자 상관관계를 통해 팀은 양자 노이즈와 그에 따른 미러 변위를 정상 수준의 70 % 까지 줄일 수 있었습니다. 우연히도 이 측정은 양자 역학에서 주어진 수의 광자 또는 LIGO의 경우 특정 수준의 레이저 출력이 특정 최소의 양자를 생성할 것으로 예상되는 표준 양자 한계라고 하는 것보다 낮습니다. 경로에 있는 모든 개체에 특정 "킥"을 생성하는 변동은 압착된 빛을 사용하여 LIGO 측정에서 양자 노이즈를 줄임으로써 팀은 표준 양자 한계보다 더 정확한 측정을 수행하여 궁극적으로 LIGO가 더 희미하고 먼 중력파 소스를 감지하는 데 도움이 되는 방식으로 노이즈를 줄였습니다.