L'universo, visto attraverso la lente della meccanica quantistica, è un rumoroso, spazio scoppiettante in cui le particelle lampeggiano costantemente dentro e fuori dall'esistenza, creando uno sfondo di rumore quantistico i cui effetti sono normalmente troppo sottili per essere rilevati negli oggetti di uso quotidiano.

Ora per la prima volta, un team guidato da ricercatori del MIT LIGO Laboratory ha misurato gli effetti delle fluttuazioni quantistiche sugli oggetti su scala umana. In un articolo pubblicato su Natura , i ricercatori riferiscono di aver osservato che le fluttuazioni quantistiche, per quanto piccoli possano essere, può comunque "calciare" un oggetto grande come gli specchi da 40 chilogrammi del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation, facendoli muovere di un piccolo grado, che la squadra è stata in grado di misurare.

Si scopre che il rumore quantistico nei rivelatori di LIGO è sufficiente per spostare i grandi specchi di 10 ^-20 metri:uno spostamento previsto dalla meccanica quantistica per un oggetto di queste dimensioni, ma questo non era mai stato misurato prima.

"Un atomo di idrogeno è 10 ^-10 metri, quindi questo spostamento degli specchi è per un atomo di idrogeno ciò che un atomo di idrogeno è per noi, e l'abbiamo misurato, "dice Lee McCuller, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT.

I ricercatori hanno utilizzato uno strumento speciale da loro progettato, chiamato spremiagrumi quantistico, per "manipolare il rumore quantico del rivelatore e ridurne i calci agli specchi, in un modo che potrebbe in definitiva migliorare la sensibilità di LIGO nel rilevamento delle onde gravitazionali, " spiega Haocun Yu, uno studente laureato in fisica al MIT.

"La particolarità di questo esperimento è che abbiamo visto effetti quantistici su qualcosa di grande quanto un essere umano, "dice Nergis Mavalvala, il professore di marmo e capo associato del dipartimento di fisica del MIT. "Anche noi, ogni nanosecondo della nostra esistenza, vengono presi a calci in giro, scosso da queste fluttuazioni quantistiche. È solo che il nervosismo della nostra esistenza, la nostra energia termica, è troppo grande perché queste fluttuazioni quantistiche del vuoto influiscano in modo misurabile sul nostro movimento. Con gli specchi LIGO, abbiamo fatto tutto questo lavoro per isolarli dal movimento azionato termicamente e da altre forze, così che ora sono ancora abbastanza per essere presi a calci dalle fluttuazioni quantistiche e da questo spettrale popcorn dell'universo".

Yu, Mavalvala, e McCuller sono coautori del nuovo documento, insieme alla studentessa laureata Maggie Tse e alla ricercatrice principale Lisa Barsotti al MIT, insieme ad altri membri della LIGO Scientific Collaboration.

Un calcio quantico

LIGO è progettato per rilevare le onde gravitazionali che arrivano sulla Terra da fonti catastrofiche distanti da milioni a miliardi di anni luce. Comprende due rivelatori gemelli, uno a Hanford, Washington, e l'altro a Livingston, Louisiana. Ogni rivelatore è un interferometro a forma di L composto da due tunnel lunghi 4 chilometri, al termine della quale è appeso uno specchio da 40 chilogrammi.

Per rilevare un'onda gravitazionale, un laser situato all'ingresso dell'interferometro LIGO invia un raggio di luce lungo ogni tunnel del rivelatore, dove si riflette sullo specchio in fondo, per tornare al punto di partenza. In assenza di onde gravitazionali, i laser dovrebbero tornare alla stessa ora esatta. Se passa un'onda gravitazionale, disturberebbe brevemente la posizione degli specchietti, e quindi i tempi di arrivo dei laser.

Molto è stato fatto per proteggere gli interferometri dai rumori esterni, in modo che i rivelatori abbiano maggiori possibilità di rilevare i disturbi estremamente sottili creati da un'onda gravitazionale in arrivo.

Mavalvala e i suoi colleghi si sono chiesti se LIGO potesse anche essere abbastanza sensibile da consentire allo strumento di percepire effetti anche più sottili, come le fluttuazioni quantistiche all'interno dell'interferometro stesso, e nello specifico, rumore quantistico generato tra i fotoni nel laser di LIGO.

"Questa fluttuazione quantistica nella luce laser può causare una pressione di radiazione che può effettivamente dare un calcio a un oggetto, " Aggiunge McCuller. "L'oggetto nel nostro caso è uno specchio di 40 chilogrammi, che è un miliardo di volte più pesante degli oggetti su scala nanometrica in cui altri gruppi hanno misurato questo effetto quantistico".

Spremiagrumi

Per vedere se potevano misurare il movimento degli enormi specchi di LIGO in risposta a minuscole fluttuazioni quantistiche, il team ha utilizzato uno strumento di recente costruzione come componente aggiuntivo degli interferometri, che chiamano uno spremiagrumi quantistico. Con lo spremiagrumi, gli scienziati possono mettere a punto le proprietà del rumore quantistico all'interno dell'interferometro di LIGO.

Il team ha prima misurato il rumore totale all'interno degli interferometri di LIGO, compreso il rumore quantistico di fondo, così come il rumore "classico", o disturbi generati dal normale, vibrazioni quotidiane. Hanno quindi acceso lo spremiagrumi e l'hanno impostato su uno stato specifico che ha alterato in modo specifico le proprietà del rumore quantistico. Sono stati quindi in grado di sottrarre il rumore classico durante l'analisi dei dati, isolare il rumore puramente quantistico nell'interferometro. Poiché il rilevatore monitora costantemente lo spostamento degli specchi rispetto a qualsiasi rumore in ingresso, i ricercatori hanno potuto osservare che il solo rumore quantico era sufficiente per spostare gli specchi, per 10 ^-20 metri.

Mavalvala osserva che la misurazione si allinea esattamente con ciò che prevede la meccanica quantistica. "Ma è comunque straordinario vederlo confermato in qualcosa di così grande, " lei dice.

Facendo un passo avanti, il team si è chiesto se potevano manipolare lo spremiagrumi quantistico per ridurre il rumore quantistico all'interno dell'interferometro. Lo spremiagrumi è progettato in modo tale che quando è impostato su un particolare stato, "spreme" alcune proprietà del rumore quantistico, in questo caso, fase e ampiezza. Le fluttuazioni di fase possono essere pensate come derivanti dall'incertezza quantistica nel tempo di viaggio della luce, mentre le fluttuazioni di ampiezza impartiscono calci quantici alla superficie dello specchio.

"Pensiamo al rumore quantistico come distribuito lungo assi diversi, e cerchiamo di ridurre il rumore in qualche aspetto specifico, " dice Yu.

Quando lo spremiagrumi è impostato su un certo stato, può ad esempio spremere, o restringere l'incertezza in fase, mentre contemporaneamente distendendo, o aumentando l'incertezza in ampiezza. La compressione del rumore quantistico ad angoli diversi produrrebbe diversi rapporti di rumore di fase e di ampiezza all'interno dei rilevatori di LIGO.

Il gruppo si è chiesto se cambiare l'angolo di questa compressione creerebbe correlazioni quantistiche tra i laser di LIGO e i suoi specchi, in un modo che potrebbero anche misurare. Testare la loro idea, il team ha impostato lo spremiagrumi su 12 diverse angolazioni e ha scoperto che, infatti, potrebbero misurare le correlazioni tra le varie distribuzioni del rumore quantistico nel laser e il movimento degli specchi.

Attraverso queste correlazioni quantistiche, il team è stato in grado di spremere il rumore quantico, e il conseguente spostamento dello specchio, fino al 70% del suo livello normale. Questa misura, per inciso, è al di sotto del cosiddetto limite quantistico standard, quale, nella meccanica quantistica, afferma che un dato numero di fotoni, o, nel caso di LIGO, un certo livello di potenza laser, dovrebbe generare un certo minimo di fluttuazioni quantistiche che genererebbero un "calcio" specifico a qualsiasi oggetto nel loro percorso.

Utilizzando la luce compressa per ridurre il rumore quantistico nella misurazione LIGO, il team ha effettuato una misurazione più precisa del limite quantistico standard, riducendo quel rumore in un modo che alla fine aiuterà LIGO a rilevare più debole, sorgenti più lontane di onde gravitazionali.