23 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 2015년에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 한 쌍의 블랙홀이 충돌하여 발생하는 중력파, 즉 시공간 파동을 최초로 직접 감지함으로써 역사를 만들었습니다. 그 이후로 미국 국립과학재단(NSF)이 자금을 지원하는 LIGO와 유럽의 자매 탐지기인 Virgo는 블랙홀 간의 수십 개의 합병과 중성자별로 불리는 관련 별 잔해 간의 충돌에서 발생하는 중력파를 감지했습니다. LIGO 성공의 핵심은 인간 머리카락보다 10조 배 작은 규모로 시공간 구조의 늘어나거나 눌리는 정도를 측정하는 능력입니다. 이러한 측정값은 이해할 수 없을 정도로 작기 때문에 LIGO의 정밀도는 양자물리학 법칙에 의해 계속해서 제한되어 왔습니다. 매우 작은 아원자 규모에서 빈 공간은 희미한 양자 잡음으로 채워져 LIGO의 측정을 방해하고 관측소의 민감도를 제한합니다.

주요 요점

LIGO는 2015년 역사적으로 처음으로 중력파를 직접 탐지했으며, 이후 유럽의 Virgo와 함께 수많은 블랙홀 합병과 중성자별 충돌을 탐지했습니다.

양자 잡음은 LIGO 측정의 제한 요소였으며, 아원자 규모에서 양자 물리학의 예측 불가능성으로 인해 민감도를 제한했습니다.

LIGO 연구원들은 이러한 한계를 우회하는 "주파수 의존적 압착"이라는 새로운 양자 기술을 도입하여 LIGO의 감지 가능한 중력 주파수 전체 범위에 걸쳐 측정을 가능하게 했습니다.

60월부터 가동되는 이 신기술의 구현으로 감지량이 약 XNUMX% 증가하여 시공간에 영향을 미치는 우주 사건을 연구하는 LIGO의 역량이 향상될 것으로 예상됩니다.

이 양자 혁신은 중력파 탐지를 발전시킬 뿐만 아니라 미래의 양자 기술과 기초 물리학 실험의 잠재력도 보유하고 있습니다.

연구

이제 일기장에 글을 쓰자 물리적 검토 X ("주파수 의존적 압착을 통한 LIGO 검출기의 광대역 양자 강화"), LIGO 연구원들은 이 한계를 뛰어넘고 전체 범위에 걸쳐 시공간 파동을 측정할 수 있는 "압착"이라는 양자 기술의 상당한 발전을 보고합니다. LIGO가 감지한 중력 주파수.

[포함 된 콘텐츠]

올해 60월에 다시 가동된 이후 LIGO에서 운영되고 있는 이 새로운 "주파수 의존형 압착" 기술은 이제 탐지기가 더 넓은 공간의 우주를 조사할 수 있으며 이전보다 약 XNUMX% 더 많은 병합을 탐지할 것으로 예상된다는 것을 의미합니다. . 이는 공간과 시간을 뒤흔드는 이국적인 사건을 연구하는 LIGO의 능력을 크게 향상시킵니다. "자연을 통제할 수는 없지만 탐지기를 통제할 수는 있습니다"라고 Matt Evans가 주도한 MIT의 연구 실험과 관련된 프로젝트인 새로운 LIGO 기술의 개발을 감독한 MIT의 수석 연구 과학자 Lisa Barsotti는 말합니다. 물리학 교수, Nergis Mavalvala, 천체 물리학 교수이자 과학부 학장인 Curtis and Kathleen Marble 교수입니다. 현재 이러한 노력에는 MIT, Caltech, 그리고 워싱턴 주 핸퍼드와 루이지애나 주 리빙스턴에 있는 쌍둥이 LIGO 천문대에 기반을 둔 수십 명의 과학자와 엔지니어가 포함되어 있습니다. “이 규모의 프로젝트에는 시설부터 엔지니어링, 광학에 이르기까지 여러 사람이 필요합니다. 기본적으로 LIGO 과학 협력의 중요한 기여를 하는 LIGO 연구소의 전체 범위입니다. 이는 대유행으로 인해 더욱 어려워진 엄청난 노력이었습니다.”라고 Barsotti는 말합니다. “이제 우리는 양자 한계를 뛰어넘었기 때문에 훨씬 더 많은 천문학을 할 수 있게 되었습니다.”라고 Caltech의 물리학 조교수이자 새로운 연구의 리더 중 한 명인 Lee McCuller가 설명합니다. "LIGO는 관찰을 위해 레이저와 대형 거울을 사용하지만, 우리는 장치가 양자 영역의 영향을 받는다는 것을 의미하는 감도 수준에서 작업하고 있습니다." 이번 결과는 양자 컴퓨터, 기타 마이크로 전자공학 등 미래 양자 기술은 물론 기초 물리학 실험에도 파급효과를 준다. McCuller는 “LIGO에서 배운 내용을 바탕으로 아원자 규모의 거리를 놀라운 정확도로 측정해야 하는 문제에 적용할 수 있습니다.”라고 말했습니다. NSF 이사인 Sethuraman Panchanathan은 "NSF가 1990년대 후반에 쌍둥이 LIGO 감지기를 구축하는 데 처음 투자했을 때 중력파를 관찰할 수 있는 잠재력에 대해 열광했습니다."라고 말했습니다. “이러한 검출기는 획기적인 발견을 가능하게 했을 뿐만 아니라 새로운 기술의 설계와 개발을 촉진했습니다. 이는 호기심 중심의 탐구와 사용에서 영감을 받은 혁신이 결합된 NSF DNA의 진정한 모범입니다. 수십 년간의 지속적인 투자와 국제 파트너십 확장을 통해 LIGO는 풍부한 발견과 기술 발전을 더욱 발전시킬 준비가 되어 있습니다.” 양자물리학의 법칙에 따르면 광자를 포함한 입자는 빈 공간에 무작위로 튀어나오고 양자 잡음의 배경 잡음을 생성하여 LIGO의 레이저 기반 측정에 불확실성을 가져옵니다. 1970년대 후반에 시작된 양자 압착은 양자 잡음을 억제하는 방법, 더 구체적으로는 보다 정확한 측정을 목표로 잡음을 한 곳에서 다른 곳으로 밀어내는 방법입니다. 압착이라는 용어는 빛이 풍선 동물처럼 조작될 수 있다는 사실을 의미합니다. 개나 기린을 만들려면 긴 풍선의 한 부분을 작고 정확하게 위치한 연결부에 끼울 수 있습니다. 그러나 그러면 풍선의 반대쪽이 더 크고 덜 정확한 크기로 부풀어오르게 됩니다. 빛은 주파수와 같은 한 가지 특성에서 더 정확하도록 유사하게 압축될 수 있지만 그 결과 힘과 같은 다른 특성에서는 더 불확실해집니다. 압착된 빛의 소스에 대한 이 사진은 압착기가 작동 중이고 녹색 빛으로 펌핑될 때 챔버의 뷰포트 중 하나에서 촬영되었습니다. (이미지: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory) 2019년부터 LIGO의 쌍둥이 감지기는 감지하는 중력파의 상위 주파수 범위에 대한 감도를 향상시키는 방식으로 빛을 압착해 왔습니다. 그러나 풍선의 한쪽을 누르면 반대쪽도 팽창하는 것과 마찬가지로 빛을 쥐는 데에도 대가가 따릅니다. LIGO의 측정을 고주파수에서 더 정확하게 함으로써, 낮은 주파수에서는 측정의 정확도가 떨어졌습니다. “어떤 시점에서는 더 많이 쥐어짜면 큰 이득을 얻지 못할 것입니다. 우리는 중력파를 감지하는 능력에서 앞으로 다가올 미래에 대비해야 했습니다.”라고 Barsotti는 설명합니다. 이제 LIGO의 새로운 주파수 의존형 광학 공동(미식축구장 XNUMX개 길이의 긴 튜브)을 사용하면 팀이 관심 있는 중력파의 주파수에 따라 다양한 방식으로 빛을 압착할 수 있어 전체 LIGO 주파수 범위에서 소음을 줄일 수 있습니다. Caltech의 물리학 교수이자 LIGO 팀원인 Rana Adhikari는 "이전에는 LIGO가 더 정확해지기를 원하는 부분을 선택해야 했습니다."라고 말합니다. “이제 우리는 케이크를 먹고 먹을 수도 있습니다. 우리는 이 작업을 수행하기 위해 방정식을 작성하는 방법을 한동안 알고 있었지만 지금까지 실제로 작동시킬 수 있는지는 확실하지 않았습니다. 마치 공상과학 소설 같아요.”

양자 영역의 불확실성

각 LIGO 시설은 "L"자 형태로 연결된 4km 길이의 암 2019개로 구성됩니다. 레이저 빔은 각 팔을 따라 이동하여 거대한 매달린 거울에 부딪힌 다음 시작된 곳으로 다시 이동합니다. 중력파가 지구를 휩쓸면서 LIGO의 팔이 늘어나거나 눌려 레이저 빔이 동기화되지 않게 됩니다. 이로 인해 두 광선의 빛이 특정한 방식으로 서로 간섭하게 되어 중력파의 존재가 드러납니다. 그러나 LIGO의 레이저 빔을 감싸는 진공관 내부에 숨어 있는 양자 잡음은 빔에 있는 광자의 타이밍을 미세한 양으로 변경할 수 있습니다. McCuller는 레이저 광의 이러한 불확실성을 BB 캔에 비유합니다. “BB가 가득한 캔을 버리는 것을 상상해보십시오. 그들은 모두 땅에 떨어지고 독립적으로 딸깍 소리를 냈습니다. BB가 무작위로 땅에 떨어지면서 소음이 발생합니다. 가벼운 광자는 BB와 같으며 불규칙한 시간에 LIGO의 거울에 부딪칩니다.”라고 Caltech 인터뷰에서 그는 말했습니다. McCuller는 XNUMX년부터 시행된 압착 기술로 인해 "마치 광자가 독립적으로 이동하는 것이 아니라 손을 잡고 있는 것처럼 광자가 더 규칙적으로 도착하게 됩니다"라고 말했습니다. 아이디어는 광자의 BB와 같은 효과를 억제하는 방법으로 빛의 주파수 또는 타이밍을 더 확실하게 만들고 진폭 또는 전력을 덜 확실하게 만드는 것입니다. 이는 본질적으로 하나의 광자를 더 낮은 에너지를 가진 얽힌 또는 연결된 두 개의 광자로 한 쌍으로 바꾸는 특수 결정의 도움으로 수행됩니다. 결정은 LIGO의 레이저 빔에서 빛을 직접 짜내지 않습니다. 오히려 LIGO 튜브의 진공 상태에서 미광을 짜내고, 이 빛은 레이저 빔과 상호 작용하여 레이저 빛을 간접적으로 짜냅니다. Barsotti는 "빛의 양자 특성이 문제를 일으키지만 양자 물리학도 우리에게 해결책을 제공합니다"라고 말했습니다.

수십년 전에 시작된 아이디어

압착 자체에 대한 개념은 고(故) 러시아 물리학자 블라디미르 브라긴스키(Vladimir Braginsky)의 이론적 연구에서 시작된 1970년대 후반으로 거슬러 올라갑니다. Kip Thorne, Richard P. Feynman 이론물리학 교수, Caltech 명예 교수; 그리고 뉴멕시코 대학교 명예교수인 칼튼 케이브스(Carlton Caves). 연구원들은 양자 기반 측정 및 통신의 한계에 대해 생각해 왔으며 이 연구는 1986년 Caltech 명예 물리학과 William L. Valentine 교수인 H. Jeff Kimble의 압착에 대한 최초의 실험적 시연 중 하나에 영감을 주었습니다. Kimble은 압착된 빛을 오이에 비유했습니다. 빛 측정의 확실성은 한 방향, 즉 특성으로만 밀려 "양자 양배추를 양자 오이로" 바꾸는 것입니다. 기사에 썼다. 칼텍에서는 공학 및 과학 1993년에 연구자들은 LIGO 감지기에서 빛을 짜내는 방법에 대해 생각하기 시작했으며 2002년에 Caltech의 2008미터 테스트 시설에서 이 기술의 첫 번째 실험 시연이 달성되었습니다. 40년 MIT 연구원들은 LIGO 압착기의 예비 설계를 개발하여 LIGO의 Hanford 현장에서 테스트했습니다. 독일의 GEO2010 검출기에서 수행된 병렬 작업도 연구원들에게 압착이 효과가 있을 것이라고 확신했습니다. 600년 후인 2019년, 많은 시련과 신중한 팀워크를 거쳐 LIGO는 처음으로 빛을 짜내기 시작했습니다. 2008년부터 이 프로젝트에 참여해 온 Sheila Dwyer는 "우리는 많은 문제 해결 과정을 거쳤습니다. 처음에는 MIT 대학원생으로, 그 다음에는 2013년부터 LIGO Hanford Observatory에서 과학자로 일했습니다. "압착이 처음으로 생각되었습니다. 1970년대 후반이었지만 제대로 작동하는 데 수십 년이 걸렸습니다.”

너무 많은 좋은 일

그러나 앞서 언급했듯이 압착에는 장단점이 있습니다. 연구진은 레이저 광의 타이밍 또는 주파수에서 양자 잡음을 이동시킴으로써 잡음을 레이저 광의 진폭 또는 전력에 추가했습니다. 더 강력한 레이저 빔은 LIGO의 무거운 거울을 밀어 중력파의 낮은 주파수에 해당하는 원치 않는 소음을 발생시킵니다. 이러한 진동은 저주파 중력파를 감지하는 탐지기의 능력을 가립니다. MIT 대학원생이자 이번 연구의 공동 저자 XNUMX명 중 한 명인 드루바 가나파시(Dhruva Ganapathy)는 "우리가 시스템에 질서를 부여하고 혼란을 줄이기 위해 쥐어짜기를 사용한다고 해도 모든 곳에서 승리한다는 의미는 아닙니다."라고 말합니다. . “우리는 여전히 물리 법칙에 묶여 있습니다.” 이 연구의 다른 세 명의 주요 저자는 MIT 대학원생 Wenxuan Jia, LIGO Livingston 박사후 연구원 Masayuki Nakano, MIT 박사후 연구원 Victoria Xu입니다. 불행하게도, 이 귀찮은 우렁찬 소리는 LIGO 팀이 레이저의 출력을 높일 때 더욱 문제가 됩니다. McCuller는 “압착과 전력을 높이는 행위 모두 양자 불확실성의 영향을 받는 지점까지 양자 감지 정밀도를 향상시킵니다.”라고 말했습니다. “두 가지 모두 광자를 더 많이 밀게 되어 거울이 덜컹거리는 소리를 냅니다. 레이저 출력은 단순히 더 많은 광자를 추가하는 반면, 압착하면 더 덩어리지고 울퉁불퉁해집니다.”

윈윈

해결책은 중력파의 고주파수에 대해서는 한 가지 방법으로, 저주파에 대해서는 다른 방법으로 빛을 압착하는 것입니다. 풍선을 위에서 아래로, 옆에서 쥐어짜는 사이를 오가는 것과 같습니다. 이는 LIGO의 새로운 주파수 의존형 압착 공동에 의해 달성됩니다. 이는 연구원들이 양자 잡음을 주파수 범위에 따라 빛의 다른 특징(위상 또는 진폭)으로 선택적으로 이동할 수 있는 방식으로 광파의 상대적 위상을 제어합니다. 중력파. Ganapathy는 “우리가 정말 멋진 양자 작업을 수행하고 있는 것은 사실입니다. 그러나 실제 이유는 이것이 LIGO의 감도를 향상시키는 가장 간단한 방법이기 때문입니다.”라고 Ganapathy는 말합니다. "그렇지 않으면 레이저를 켜야 하는데 그 자체로 문제가 있습니다. 아니면 거울의 크기를 크게 늘려야 하므로 비용이 많이 듭니다." LIGO의 파트너 관측소인 Virgo도 대략 2024년 말까지 계속될 현재 실행 내에서 주파수 의존형 압착 기술을 사용할 가능성이 높습니다. 계획된 지상 기반 Cosmic Explorer와 같은 차세대 대형 중력파 탐지기도 압착된 빛의 이점을 얻을 것입니다. 새로운 주파수 의존형 압착 공동을 통해 LIGO는 이제 훨씬 더 많은 블랙홀과 중성자별 충돌을 감지할 수 있습니다. Ganapathy는 중성자별을 더 많이 포착할 수 있다는 사실이 가장 기쁘다고 말합니다. "더 많은 탐지를 통해 중성자 별이 서로 찢어지는 것을 관찰하고 내부에 무엇이 있는지 더 많이 알 수 있습니다." Barsotti는 “우리는 마침내 중력 우주를 활용하게 되었습니다.”라고 말했습니다. “앞으로 우리는 감도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 우리가 어디까지 밀어붙일 수 있는지 보고 싶다”고 말했다. Physical Review X 연구의 제목은 "주파수 의존적 압착을 통한 LIGO 검출기의 광대역 양자 향상"입니다. MIT의 Mike Zucker와 Caltech의 GariLynn Billingsley를 포함하여 많은 추가 연구자들이 주파수 의존형 압착 캐비티를 포함하는 "Advanced LIGO Plus" 업그레이드의 선두주자로서 압착 및 주파수 의존형 압착 작업의 개발에 기여했습니다. LIGO Hanford 천문대의 Daniel Sigg; LIGO Livingston 연구소의 Adam Mullavey; 그리고 호주국립대학교의 David McClelland 그룹. LIGO-Virgo-KAGRA 협업은 미국, 이탈리아, 일본에서 중력파 탐지기 네트워크를 운영하고 있습니다. LIGO 연구소는 Caltech와 MIT가 운영하며 NSF의 자금 지원을 받아 독일(Max Planck Society), 영국의 Advanced LIGO 감지기에 기여합니다. (과학기술시설협의회), 호주(호주연구협의회). Virgo는 유럽 중력 관측소(EGO)에 의해 관리되고 프랑스 국립 과학 연구 센터(CNRS), 이탈리아 핵 연구소(INFN) 및 국립 아원자 물리학 연구소(Nikhef)의 자금 지원을 받습니다. 네덜란드에서.

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• 출처: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=63920.php