Новости

Dec 01, 2023

Квантовое сжатие: на грани физики

Уитни Клавин, Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) 30 июля 2023 г. Ли Маккаллер, профессор физики и эксперт по квантовому сжатию, разрабатывает инновационные методы улучшения

Уитни Клавин, Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт), 30 июля 2023 г.

Ли Маккаллер, профессор физики и эксперт по квантовому сжатию, разрабатывает инновационные методы повышения чувствительности LIGO, самого совершенного в мире детектора гравитационных волн. Его будущая цель — расширить применение этих методов за пределы LIGO.

Новый профессор Калифорнийского технологического института Ли Маккаллер делает квантовые измерения еще более точными.

С юных лет новый доцент кафедры физики Ли Маккаллер наслаждался практическим процессом создания вещей. Этот интерес подогревал его дядя, создавший для него блок питания. Маккаллер использовал это в сочетании с электронными наборами для хобби от RadioShack, выполняя простые задачи, такие как управление аналоговыми цепями для включения и выключения света и двигателей. Сегодня инженерное мастерство Маккаллера применяется в исключительно совершенном устройстве, которое некоторые называют самым совершенным измерительным устройством в мире: лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, или LIGO.

Ли Маккаллер, доцент кафедры физики. Кредит: Калифорнийский технологический институт

McCuller is a recognized expert in a field known as quantum squeezing, a technique utilized at LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">LIGO to achieve extremely precise measurements of gravitational waves. that travel millions and billions of light-years across space to reach us. When black holes and collapsed stars, called neutron stars, collide, they generate ripples in space-time, or gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> гравитационные волны. Детекторы LIGO, расположенные в Вашингтоне и Луизиане, специализируются на улавливании этих волн, но их возможности ограничены квантовым шумом — неотъемлемым свойством квантовой механики, которое приводит к появлению и исчезновению фотонов в пустом пространстве. Квантовое сжатие — сложный метод уменьшения этого нежелательного шума.

Исследования квантового сжатия и связанных с ним измерений активизировались еще в 1980-х годах, когда ключевые теоретические исследования проводились Кипом Торном из Калифорнийского технологического института (бакалавр наук '62), заслуженным профессором теоретической физики Ричарда П. Фейнмана вместе с физиком Карлом Кейвсом (доктор философии '79). ) и другие по всему миру. Эти теории вдохновили Джеффа Кимбла, почетного профессора физики Уильяма Л. Валентайна, на первую экспериментальную демонстрацию сжатия в 1986 году. В последующие десятилетия произошло много других достижений в области научных исследований, и теперь Маккаллер находится на переднем крае этой инновационной области. Например, он был занят разработкой «частотно-зависимого» сжатия, которое значительно повысит чувствительность LIGO, когда он снова включится в мае этого года.

After earning his bachelor’s degree from the University of Texas at Austin in 2010, McCuller attended the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Chicago, where he earned his PhD in physics in 2015. There he began work on an experiment called the Fermilab Holometer, which looked for a speculative type of noise that would link gravity with quantum mechanics. It was during this project that McCuller met LIGO scientists, including MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT’s Rai Weiss—who together with Thorne and Barry Barish, the Ronald and Maxine Linde Professor of Physics, Emeritus, won the Nobel Prize in Physics in 2017 for their groundbreaking work on LIGO. McCuller was inspired by Weiss and the LIGO project and decided to join MIT in 2016. He became an assistant professor at Caltech in 2022./p>

Up until now, we have been squeezing light in LIGO to reduce uncertainty in the frequency. This allows us to be more sensitive to the high-frequency gravitational waves within LIGO’s range. But if we want to detect lower frequencies—which occur earlier in, say, a black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"black hole merger, before the bodies collide—we need to do the opposite: we want to make the light’s amplitude, or power, more certain and the frequency less certain. At the lower frequencies, the shot noise, our BB-like photons, push the mirrors around in different ways. We want to reduce that. Our new frequency-dependent cavity at the LIGO detectors is designed to reduce the frequency uncertainty in the high frequencies and the amplitude uncertainties in the low frequencies. The goal is to win everywhere and reduce the unwanted mirror motions./p>

What this means is that we will be even more sensitive to the early phases of black hole and neutron starA neutron star is the collapsed core of a large (between 10 and 29 solar masses) star. Neutron stars are the smallest and densest stars known to exist. Though neutron stars typically have a radius on the order of just 10 - 20 kilometers (6 - 12 miles), they can have masses of about 1.3 - 2.5 that of the Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"neutron star mergers, and that we can see even fainter mergers./p>