Международной группе ученых под руководством физиков Массачусетского технологического института удалось перевести огромный объект почти в чистое квантовое состояние, подавив движение, создаваемое окружающей средой. Этим объектом стала система резонаторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Результаты необычного эксперимента опубликованы в журнале Science.
Квантовая система может достигнуть основного состояния, при котором тепловые колебания (фононы) атомов устранены при охлаждении почти до абсолютного нуля. Однако до сих пор это было сделано лишь для крошечных объектов нанометрового размера, например, облаков из миллионов атомов весом в несколько пикограммов. Осуществить переход в чистое квантовое состояние для макроскопических объектов, размер которых сравним с размером с человека, технически сложно.
В ходе нового эксперимента ученые использовали подвесные зеркала гравитационно-волновой обсерватории с гигантским лазерным интерферометром (LIGO). Обсерватория Advanced LIGO состоит из пары интерферометров Майкельсона, каждый из которых представляет собой канал (плечо) длиной четыре километра с вакуумом внутри. Кварцевые зеркала, масса каждого из которых достигает 40 килограммов, образуют оптические резонаторы Фабри-Перо. Когда через LIGO проходит гравитационная волна, расстояние между зеркалами-маятниками меняется (одно плечо укорачивается, другое удлиняется), что регистрируется детекторами как колебания мощности оптического излучения. Совместное движение каждой пары зеркал и двух осцилляторов в целом можно математически рассматривать как один объект, а именно механический осциллятор с массой десять килограммов.
Сам процесс измерения может случайно привести зеркало в движение — это явление называется квантовым обратным действием измерения. Фотоны, отражающиеся от зеркала для сбора информации о его движении, передают импульс зеркалу, создавая погрешность при последующем измерении. Чтобы скомпенсировать этот эффект, ученые создали контур управления, прикладывающий к зеркалам электростатическую силу с помощью золотых электродов под напряжением 400 вольт. В результате подавления обратного действия зеркала сдвигались не более чем на одну тысячную размера протона (менее чем 10 в минус 20-й степени метра).
Оставшаяся энергия колебаний соответствовала 77 нанокельвинам, что очень близко к рассчитанной температуре основного состояния осциллятора, равной 10 нанокельвинам. Таким образом, ученым удалось увеличить массу объекта, чье состояние доведено почти до чистого квантового. По словам исследователей, превращение обсерватории LIGO в массивную квантовую систему открывает новые возможности по точному измерению эффектов гравитации.