Raziskovalci zavijajo kvantno fiziko

Rausch rmster laser sveta proizvaja modrico svetlobo

Stisnjen vir svetlobe: Kristal, ki je obsevan z zeleno lasersko svetlobo, lahko zmanjša nihanje intenzitete v nevidnem infrardečem laserju. © Roman Schnabel / MPI za gravitacijsko fiziko
prebral

Zdaj so nemški raziskovalci izdelali posebno vrsto laserskega žarka. Uspeli so postaviti svetovni rekord pri nadzoru fotonov: uspeli so enakomerno razporediti te svetlobne delce v laserski žarek. Tako zmanjšajo drobna nihanja kvantne mehanske intenzivnosti svetlobe, tako imenovani fotonski hrup, na rekordnih 90 odstotkov.

S to izredno nizko hrupno lasersko svetlobo lahko občutno povečamo občutljivost detektorjev gravitacijskega vala. Napeto svetlobo bi lahko uporabili tudi v kvantni kriptografiji, šifriranju sporočil, ki jih je mogoče zaščititi s pritiskom, poročajo znanstveniki v trenutni številki revije Physical Review Letters.

Svetloba ni ista svetloba. Obstaja običajna svetloba žarnice, laserska svetloba in stisnjena laserska svetloba, kar je še posebej kakovostno: V snopu stisnjene svetlobe fiziki ohranjajo intenzivnost, tj. Število svetlobnih kvantov ali fotonov, v določenem času skoraj konstantno. V običajnem svetlobnem snopu in celo v običajnem laserskem žarku so ti kvanti naključno razporejeni. Zato običajno zahteva naključno načelo kvantne fizike. Včasih mnogi pridejo kot skupina, včasih pridejo le sporadično. Nekako kot nevihta, ki pika po tleh vse manj in manj kapljic. Ta sprememba intenzitete, imenovana fotonski šum, moti posebno občutljive meritve.

Pojav fotonov je nepredvidljiv

Fiziki z Inštituta za gravitacijsko fiziko Max Planck (Inštitut Albert Einstein) in Leibniz Universität Hannover so zdaj zmanjšali fotonski hrup na desetino ali, kot pravijo žargoni v žargonu, so ga stisnili. Postavili so svetovni rekord. Nekaj ​​mesecev prej so že postavili še en svetovni rekord: lahke delce so premaknili do pol sekunde dlje kot kdajkoli prej, da jih enakomerno razporedijo.

"Naključno načelo kvantne fizike ni kršeno, " pravi Roman Schnabel, mlajši profesor na Leibniz Universität Hannover in na Max Planck Inštitutu za gravitacijsko fiziko. "Videz fotonov je še vedno nepredvidljiv. Lahko pa jih povežemo skupaj tako, da prevzamejo pravilne intervale. "Fiziki temu učinku rečejo prepletanje. zaslon

Občutljivejši detektorji za gravitacijske valove

Z našo tehnologijo bomo zdaj znatno povečali občutljivost detektorja gravitacijskega vala GEO600, «pravi Schnabel. In tudi v veliko večjih ameriških LIGO detektorjih je tehnologija nameščena. Z dvema detektorjema znanstveniki preučujejo gravitacijske valove, za katere morajo meriti zelo natančno. Nadaljnji potencial uporabe ima zdrobljena svetloba v optičnem prenosu podatkov. Z njim bi podatke lahko varno šifrirali, saj bi prisluškovalni napad uničil redno razporeditev svetlobnih delcev in bi ga bilo zato težko razkriti. "Vendar smo še vedno na začetku kvantne kriptografije, " pravi Schnabel.

Običajno nihanja intenzitete v svetlobnem snopu niso opazna, ker vsak delček svetlobe nosi le majhno količino energije. Fiziki morajo zelo natančno pogledati, da jih opazijo. Točno to počnejo na inštitutu Albert Einstein. V svojih gravitacijskih detektorjih valov GEO600 v bližini Hannovra uporabljajo laserske žarke za merjenje drobnih sprememb razdalje. Iz kozmosa želijo zaznati gravitacijske valove. Te meritve so tako občutljive, da jih šum fotona laserske svetlobe naredi jasno opazen.

Kristal kot shranjevanje svetlobe

Vsi trenutni detektorji gravitacijskega vala uporabljajo infrardečo lasersko svetlobo. Z izjemno enotnimi laserskimi žarki, ki jih lahko zdaj izdelujejo Schnabel in njegovo osebje, je mogoče te detektorje močno izboljšati. "Razvrstimo svetlobne kvante laserskega žarka in jih uredimo bolj redno, " razloži Schnabel. Uspejo s pomočjo dvoreznih, nelinearnih kristalov. To osvetljujejo z zelenim laserskim žarkom, ki ima točno polovico valovne dolžine infrardečega. "Le ta laser kristal napolni tako, da stisne infrardečo svetlobo, " pravi Schnabel. Zeleni laserski žarek polarizira kristal, zaradi česar elektronske lupine kristalnih atomov vibrirajo - točno na frekvenci zelenega laserja. V tem stanju lahko kristal shrani fotone infrardečega laserskega žarka. In to stori točno takrat, ko svetlobni delci infrardečega laserja koncentrirano udarijo v kristal. Če je infrardeči tok fotona tanjši, se napolni s svetlobo, shranjeno v kristalu. Tako so fotoni razporejeni bolj enakomerno.

S stisnjeno lasersko svetlobo, kot jo izdelujemo, lahko več kot potrojite obseg detektorjev gravitacijskega vala, «pravi Schnabel. Na robu vesolja je bilo mogoče opaziti celo spajanje svetlo črnih lukenj. To ni mogoče pri drugih trenutnih metodah merjenja. Gravitacijski detektor valov, kot je GEO600 v bližini Hannovra, je sestavljen iz dveh predorov pod pravim kotom, v katerih se laserski žarki premikajo med ogledali. Predori trčijo na enem mestu. Tam se žarki prekrivajo in ustvarjajo vzorec svetlobe - tako imenovani motenjski vzorec.

Če gravitacijski val zadene detektor iz kozmosa, nekaj tunelov potegne v dolžino ali jih upogne. Posledično se spremeni razdalja teka laserskih žarkov, tako da za kratek čas ustvarijo drugačen vzorec motenj. Občutljivi merilniki to beležijo in omogočajo raziskovalcem, da vsaj v teoriji zaznajo neprekinjene gravitacijske valove.

Ravnilo za delček atomskega polmera

Praktično ni mogel zaznati gravitacijskih valov. Težava: Spremembe, ki jih je treba izmeriti, so majhne. Ko gravitacijski val udari na detektor GEO600, le dolžino svojih predorov spremeni le za milijardo milijardo milijardo-milijardo krat manjši od premera atoma. Za merjenje tako majhnih razdalj morajo biti laserski žarki, ki ustvarjajo vzorec motenj, čim bolj konstantni. Ker vsako nihanje svetlosti spremeni prekrivni vzorec žarkov in tako simulira neprekinjeno gravitacijsko valovanje.

Tu se skriva prednost stisnjenih laserskih žarkov: ker imajo izjemno enakomerno intenzivnost, ustvarjajo zelo stabilen vzorec motenj. Zaradi tega je detektor bolj občutljiv, lahko zazna šibkejše valove in posluša globlje v vesolje. Gravitacijski valovi nastanejo, kadar velike mase spremenijo svoje gibanje - ko se na primer črne luknje vrtijo okoli druge ali nevtronske zvezde vibrirajo. Če bi bilo mogoče izmeriti gravitacijske valove, bi astrofiziki lahko opazovali črne luknje, pogledali v nevtronske zvezde in izvedeli več o skrivnostni temni snovi. Pri običajnih teleskopih takšni temni predmeti niso vidni.

(idw - MPG, 25.01.2008 - DLO)