Мы измерили вибрации маленького маятника на уровне одного нанометра. А потом засунули его в холодильник и охладили его до –250°C. А потом использовали квантовые корреляции, чтобы уменьшить шумы в системе и получше наблюдать сигнал.

Квантовые технологии помогают нам в самых разных областях. Например, когда нам нужно измерить очень слабый сигнал, а квантовые шумы в системе очень мешают. Это традиционная проблема, например, в гравитационно-волновых детекторах, в которых квантовые флуктуации в амплитуде и фазе лазера, используемого для измерения положения зеркал, мешают наблюдению гравитационных волн. Я об этом рассказывал в своей статье про детектор Einstein Telescope, который появится в Европе в недалеком будущем.

У нас в эксперименте получился маленький прототип этого детектора. Вышел препринт нашей статьи об этом эксперименте: Squeezed-light interferometry on a cryogenically-cooled micro-mechanical membrane.

1. Краткое введение

В природе множество слабых сил, которые ученым очень хотелось бы изучить. Проблема в том, что измерить силу напрямую мы не можем, а можем только наблюдать ее эффект на разные тела.

Самые простой и эффективный способ измерить силу — использовать маятник. Сила смещает маятник, и мы измеряем это смещение. Когда частота силы близка к резонансной частоте маятника, смещение оказывается значительно усиленным, и мы можем наблюдать хороший сигнал.

Чтобы измерять смещение маятника, удобно использовать свет. Когда мы светим лазером на маятник, покрытый отражающим веществом, фаза отраженного света содержит информацию о смещении маятника.

Фазу света напрямую мы наблюдать не можем, для этого нужен интерферометр.

Интерферометр Майкельсона: лазерный луч делится два две равных части на делителе луча (beam splitter), отражается от подвижных зеркал, где приобретает фазу с информацией об их смещении. После возвращения на делитель луча, разные фазы луча интерферируют (амплитуды складываются или вычитаются), и на выходе мы видим сигнал, пропорциональный смещению зеркал. На этом принципе работают не только детекторы гравитационных волн, но и большая часть сенсоров.

К сожалению, кроме сигнала в таком детекторе будет еще множество разных источников шума. Про некоторые я писал в своей статье про детектор Einstein Telescope, а здесь ограничусь только двумя.