W pracy opublikowanej w czasopiśmie "Physical Review A" polscy i niemieccy fizycy pokazują, że nie jest konieczne przygotowywanie bardziej wyrafinowanych kwantowych stanów światła niż obecnie eksperymentalnie dostępne tzw. stany ściśnięte.

Od niemal wieku fale grawitacyjne pozostają niepotwierdzonym przewidywaniem ogólnej teorii względności. Drgania czasoprzestrzeni są najprawdopodobniej tak subtelne, że umykają nawet najlepszym współczesnym detektorom, interferometrom laserowym LIGO i GEO 600. Niedawno na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) wykazano, że czułość tych przyrządów można poprawić wykorzystując efekty kwantowe związane ze światłem. Obecnie zespół fizyków z FUW i Uniwersytetu w Hanowerze udowodnił, że dostępne eksperymentalnie stany ściśnięte światła są optymalne z punktu widzenia wykorzystania własności kwantowych do zwiększenia precyzji pomiarów.

"Nasz wynik dotyczy całej metrologii kwantowej. Jego znaczenie praktyczne jest jednak szczególnie ważne dla fizyków zajmujących się poszukiwaniem fal grawitacyjnych, bo to właśnie oni dokonują najbardziej ekstremalnych pomiarów odległości", zauważa dr Rafał Demkowicz-Dobrzański (FUW).

Ogólna teoria względności przewiduje, że źródłami fal grawitacyjnych mogą być m.in. ciasne układy podwójne, składające się z bardzo gęstych ciał niebieskich, takich jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Jednak nawet w przypadku tak egzotycznych obiektów rozchodzące się zaburzenia czasoprzestrzeni będą niezwykle subtelne.

Przechodząca przez Ziemię fala grawitacyjna powinna nieznacznie zmieniać rozmiary obiektów. Sposobem na jej wykrycie są więc bardzo dokładne pomiary długości. Odpowiednią precyzję mogą zapewnić tylko interferometry, przyrządy, w których wykorzystuje się wiązki światła laserowego i zjawisko interferencji (nakładania się fal).

W celu zwiększenia czułości pomiarów, w 2011 roku w europejskim interferometrze GEO 600 pod Hanowerem użyto światła laserowego znajdującego się w specjalnie przygotowanym stanie kwantowym, tzw. ściśniętej próżni. W fizycznej próżni mogą istnieć pola elektryczne i magnetyczne, lecz ich średnie wartości wynoszą zero. W optyce kwantowej nie jest możliwy jednoczesny precyzyjny pomiar wartości pola elektrycznego i magnetycznego fali świetlnej. Wartości te podlegają zasadzie nieoznaczoności: im lepiej znamy jedną, tym gorzej drugą. Stan ściśniętej próżni nadal ma zerowe średnie wartości pól elektrycznych i magnetycznych, jednak jest tak skonstruowany, że można dokonywać precyzyjnych pomiarów wartości jednego z pól (kosztem wiedzy o drugim). Wykorzystanie kwantowo skorelowanych fotonów pozwoliło zwiększyć czułość interferometru GEO 600 na przesunięcia luster na końcach jego ramion o ok. 30%.

Czy użycie bardziej wyrafinowanych kwantowych stanów światła, z wieloma fotonami, nie mogłoby być drogą do dalszego zwiększania dokładności pomiarów? Teoretyczna analiza zagadnienia pozwoliła fizykom z FUW znaleźć odpowiedź na to pytanie. Kluczowym elementem analizy były straty fotonów, które w detektorach fal grawitacyjnych wynoszą ok. 30%. Gdy w zwykłej wiązce laserowej ginie część fotonów, wiązka słabnie, lecz jej ogólne własności się nie zmieniają. W przypadku stanów kwantowych, w których uczestniczy wiele fotonów, strata jednego oznacza zniszczenie kwantowych korelacji między pozostałymi. Zapewnienie złożonym stanom kwantowym trwałości pozwalającej na przeprowadzanie dokładniejszych pomiarów staje się w tej sytuacji bardzo trudne.

"Wszystko wskazuje na to, że fizycy doświadczalni osiągnęli poziom optymalnego wykorzystana stanów kwantowych dla zwiększania czułości interferometrów za pomocą zjawisk kwantowych. Nawet jeśli spróbujemy użyć bardziej subtelnych stanów kwantowych światła, z obecnie działających urządzeń nie wyciśniemy już wiele więcej", podsumowuje dr Demkowicz-Dobrzański.

Wynik grupy fizyków z FUW i Uniwersytetu w Hanowerze ma istotne znaczenie praktyczne. Oznacza, że nie jest konieczne przygotowywanie bardziej subtelnych stanów kwantowych niż stany ściśnięte światła, a dodatkowe podniesienie czułości detektorów fal grawitacyjnych będzie możliwe przede wszystkim dzięki zmianom w geometrii przebiegu wiązek światła przez interferometry, zmniejszaniu strat, bądź poprzez znaczne zwiększanie długości ich ramion. W tym drugim przypadku naturalnym kierunkiem rozwoju staje się budowa odpowiednich przyrządów w kosmosie.

Prace zespołu teoretyków z FUW sfinansowano ze środków 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej w ramach grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.