Квантовая интерференция на волокне: поиск гравитационных следов

от

Автор: Денис Аветисян

Ученые продемонстрировали 50-километровый волоконный интерферометр, способный регистрировать эффекты гравитационного красного смещения в лабораторных условиях.

Разработанный прибор обеспечивает достаточную фазовую чувствительность для проверки квантовых явлений в рамках общей теории относительности.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Несмотря на фундаментальную значимость общей теории относительности и квантовой механики, экспериментальные проверки их взаимосвязи остаются сложной задачей. В работе, озаглавленной «50-km fiber interferometer for testing gravitational signatures in quantum interference», представлен волоконный интерферометр длиной 50 км, демонстрирующий достаточную фазовую чувствительность для регистрации эффекта гравитационного красного смещения в лабораторных условиях. Достигнутая чувствительность, равная $4.42\times10^{-6}$ рад (RMS), позволяет детектировать модулированные сигналы, индуцированные гравитацией, открывая новые возможности для квантового зондирования. Не приведет ли это к созданию принципиально новых методов тестирования квантовых явлений в рамках общей теории относительности?

Поиск Гравитационного Красного Смещения: Вызов Квантовой Точности

Точное измерение тонких эффектов гравитации на свет, таких как гравитационное красное смещение, продолжает оставаться серьезной задачей в современной физике. Это связано с тем, что гравитационное красное смещение представляет собой крайне малый сдвиг частоты света, вызванный разницей гравитационного потенциала между источником и наблюдателем. Для его регистрации требуются инструменты с беспрецедентной точностью, способные улавливать изменения, сопоставимые с шириной атома. Сложность заключается не только в обнаружении этого крошечного сдвига, но и в отличении его от других факторов, которые могут повлиять на частоту света, таких как движение источника или наблюдателя, или влияние межзвездной среды. В результате, эксперименты, направленные на измерение гравитационного красного смещения, требуют тщательного контроля всех возможных источников погрешностей и использования передовых технологий для минимизации шума и повышения точности измерений. Понимание и точное измерение этого явления имеет ключевое значение для проверки общей теории относительности Эйнштейна и углубления нашего понимания природы гравитации.

Традиционные методы измерения гравитационного красного смещения сталкиваются с серьезными ограничениями, обусловленными необходимостью регистрации крайне малых фазовых сдвигов света. Для фиксации этих изменений, предсказываемых общей теорией относительности, требуется беспрецедентная точность, которую сложно достичь при использовании классических приборов. Обычные датчики, несмотря на совершенствование, не способны эффективно выделять слабый сигнал из фонового шума, что существенно ограничивает возможности исследования фундаментальных аспектов гравитации и проверки теоретических моделей. Данное ограничение препятствует более глубокому пониманию взаимодействия света и гравитационного поля, а также усложняет поиск отклонений от стандартной модели, что делает разработку новых, более чувствительных методов крайне актуальной задачей современной физики.

Квантовая интерференция представляет собой перспективный путь для повышения чувствительности измерений, в частности, при регистрации гравитационного красного смещения. Однако, реализация этого подхода требует исключительно стабильного и точного контроля над отдельными фотонами. Удержание когерентности одиночных фотонов, их точное позиционирование и временная синхронизация представляют собой сложнейшую техническую задачу. Необходимость минимизировать любые возмущения, влияющие на квантовое состояние фотона, требует создания передовых оптических систем и использования сверхпроводящих детекторов. Только при достижении беспрецедентного уровня контроля над отдельными фотонами станет возможным использование квантовой интерференции для проведения высокоточных экспериментов, позволяющих проверить фундаментальные предсказания общей теории относительности и, возможно, обнаружить новые физические явления, лежащие за пределами современной модели.

Волоконный Интерферометр: Настольный Подход к Гравиметрии

Мы реализовали 50-километровый волоконный интерферометр Маха-Цендера, компактную установку, способную накапливать достаточный сдвиг фазы для гравиметрических измерений. Длина оптического пути в 50 км достигается за счет многократного прохождения света по волокну, что позволяет обнаружить крайне малые изменения, вызванные гравитационными волнами или другими источниками возмущений. Такая конфигурация позволяет создать чувствительный гравиметр, не требующий больших площадей, характерных для традиционных интерферометров, таких как LIGO. Накопленный сдвиг фазы пропорционален изменению гравитационного потенциала вдоль оптического пути, что позволяет проводить количественные измерения гравитационных эффектов.

В конструкции интерферометра используется волокно, поддерживающее поляризацию (Polarization Maintaining Fiber, PMF), для сохранения квантового состояния фотонов, распространяющихся внутри прибора. Стандартные оптические волокна вызывают случайные изменения поляризации света, что приводит к декогеренции и снижению контрастности интерференционной картины. PMF, напротив, обеспечивает стабильную передачу поляризации за счет специальной конструкции сердцевины и оболочки, минимизируя случайные изменения. Это критически важно для достижения необходимой чувствительности при измерениях гравитационных возмущений, поскольку любые изменения поляризации света могут быть ошибочно интерпретированы как сигнал. Использование PMF позволяет поддерживать когерентность фотонов на протяжении всей длины интерферометра, обеспечивая стабильную и надежную работу прибора.

Для обеспечения стабильности 50-километрового волоконного интерферометра Маха-Цендера, применялись системы виброизоляции и термостабилизации. Виброизоляция включала многоступенчатые системы, снижающие внешние механические воздействия на оптические элементы, что критически важно для сохранения когерентности световых волн. Термостабилизация поддерживала постоянную температуру компонентов интерферометра с точностью до $10^{-3}$ °C, минимизируя флуктуации показателя преломления волокна, вызванные тепловыми изменениями. Эффективность этих систем оценивалась по уровню шума, вносимого в фазовый сдвиг, и позволяла достичь необходимой стабильности для гравиметрических измерений.

Источник Одиночных Фотонов и Квантовое Измерение

Связанные пары фотонов генерировались посредством спонтанного параметрического рассеяния (SPDC), в котором использовался кристалл PPLN (периодически поляризованный литий ниобат) для эффективного преобразования частоты. В процессе SPDC, накачающий фотон высокой энергии, проходя через нелинейный кристалл PPLN, спонтанно распадается на два фотона с более низкой энергией, сохраняя импульс и энергию. Кристалл PPLN обеспечивает фасовое согласование процесса, максимизируя эффективность генерации коррелированных пар, благодаря своей периодической поляризации. Выбор длины периода поляризации кристалла определяет центральную длину волны генерируемых фотонов и обеспечивает высокую эффективность преобразования частоты, необходимую для экспериментов с одиночными фотонами.

Эффект Хонга-Оу-Мандела, наблюдаемый в эксперименте, подтвердил неразличимость сгенерированных фотонов. Данный эффект проявляется как падение вероятности одновременного детектирования двух фотонов при их совместном направлении на светоделитель, при условии, что они находятся в состоянии полной неразличимости. Наблюдаемая глубина провала в корреляционной функции подтверждает, что фотоны обладают идентичными волновыми функциями, что является необходимым условием для реализации квантовой интерференции и, следовательно, для работы многих квантовых протоколов и технологий, таких как квантовая криптография и квантовые вычисления. Отсутствие провала указывает на то, что фотоны различимы, что препятствует наблюдению квантовых эффектов.

Детектирование одиночных фотонов осуществлялось с использованием сверхпроводящих нанопроволочных фотодетекторов (SNSPD). Эти детекторы характеризуются высокой эффективностью регистрации одиночных фотонов, достигающей $>\!80\%$ в широком спектральном диапазоне, и временным разрешением на уровне нескольких десятков пикосекунд. Принцип работы SNSPD основан на регистрации изменения сопротивления нанопроволоки при поглощении фотона, что позволяет фиксировать события с высокой точностью и скоростью. Низкая темновая частота и низкий уровень шума делают SNSPD идеальными для применений, требующих регистрации слабых оптических сигналов и прецизионных измерений времени.

Точная стабилизация фазы осуществлялась посредством сбалансированной гомодинной детекции и фазовой блокировки, обеспечиваемых непрерывным лазером. В данной схеме, гомодинная детекция измеряет разность фаз между сигнальным и локальным осциллятором, что позволяет отслеживать фазовые изменения с высокой точностью. Непрерывный лазер служит источником локального осциллятора, а фазовая блокировка использует обратную связь для поддержания постоянной разности фаз между лазером и сигналом, компенсируя дрейф фазы, вызванный внешними факторами и нестабильностью оборудования. Это критически важно для поддержания когерентности в квантовых экспериментах, особенно в задачах, требующих интерференции, таких как квантовая томография состояния и квантовая связь.

К Усилению Чувствительности и Будущим Направлениям

Достигнутая фазовая чувствительность в $4.42 \times 10^{-6}$ рад RMS подтверждает работоспособность предложенного квантово-улучшенного подхода к измерениям. Этот показатель демонстрирует возможность регистрации крайне слабых сигналов, ранее недостижимых при использовании классических методов. Фактически, данное значение чувствительности открывает перспективы для проведения более точных экспериментов в области гравитационных волн и других физических явлений, требующих регистрации чрезвычайно малых изменений фазы. Полученный результат является важным шагом на пути к созданию высокочувствительных сенсоров нового поколения, способных расширить границы наших знаний о Вселенной.

Достигнутая чувствительность позволила зарегистрировать смоделированный гравитационный фазовый сдвиг, равный $(6.18 ± 0.44) \times 10^{-5}$ рад среднеквадратичного отклонения (RMS) на частоте 0.1 Гц. Этот результат демонстрирует способность системы обнаруживать чрезвычайно слабые изменения, обусловленные гравитационными волнами или другими подобными явлениями. Регистрация фазового сдвига на такой низкой частоте особенно важна, поскольку многие астрофизические источники гравитационных волн проявляются именно в этом диапазоне. Точность измерения, подтвержденная указанной погрешностью, является ключевым фактором для верификации теоретических моделей и дальнейшего изучения гравитационных взаимодействий во Вселенной.

В дальнейших исследованиях планируется внедрение методов дифференциальных измерений, которые, предположительно, позволят значительно повысить чувствительность прибора. В частности, рассматривается возможность использования разницы высот между плечами интерферометра. Такая конфигурация позволит компенсировать общие шумовые воздействия, такие как градиенты температуры или вибрации, оставляя в фокусе лишь незначительные изменения фазы, вызванные исследуемым явлением. Предполагается, что применение данной техники позволит достичь еще более точного определения гравитационных фазовых сдвигов, расширяя возможности для обнаружения слабых сигналов и углубленного изучения фундаментальных физических процессов. Ожидается, что подобные усовершенствования существенно расширят горизонты для будущих экспериментов в области гравитационной физики и квантовой метрологии.

Теоретическое обоснование представленных измерений глубоко укоренено в квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени. Данный подход необходим для точного описания взаимодействия света и гравитационных волн, поскольку классическая электродинамика оказывается недостаточной при рассмотрении экстремальных условий, характеризующих сильные гравитационные поля. Использование $QFT$ позволяет учитывать квантовые флуктуации вакуума и их влияние на распространение фотонов вблизи массивных объектов, что критически важно для интерпретации наблюдаемых фазовых сдвигов и повышения точности измерений. Понимание этих теоретических основ является ключевым для разработки более чувствительных гравитационных детекторов и расширения возможностей исследования Вселенной.

Исследование демонстрирует, как тонко взаимосвязаны квантовая механика и общая теория относительности. Авторы создали инструмент, позволяющий наблюдать эффекты гравитационного красного смещения в лабораторных условиях, что ранее казалось недостижимым. Это подтверждает, что даже на квантовом уровне, гравитация оказывает влияние на поведение частиц. Как однажды заметил Эрвин Шрёдингер: «Всё, что мы знаем, — это то, что ничего не знаем». Эта фраза как нельзя лучше отражает суть научного поиска: чем глубже мы погружаемся в изучение мира, тем больше осознаём границы своего знания и сложность окружающих явлений. В данном случае, построение высокочувствительного интерферометра позволяет прикоснуться к этим границам, проверяя фундаментальные предсказания теории Эйнштейна в области квантовой гравитации.

Что дальше?

Представленная работа, демонстрируя возможность регистрации гравитационного красного смещения в лабораторных условиях посредством волоконного интерферометра, лишь подчёркивает фундаментальную неспособность человеческого разума постичь истинную природу реальности. Технический прогресс, конечно, впечатляет — но он лишь позволяет более точно измерить наши иллюзии. Экономика не объясняет мир — она объясняет надежды людей на контроль, и эта установка, по сути, измеряет, насколько сильно мы хотим казаться предсказуемыми даже перед лицом гравитации.

Очевидным следующим шагом представляется увеличение длины интерферометра, стремление к ещё большей точности. Однако, стоит задуматься: действительно ли увеличение точности приведёт к новым открытиям, или лишь обнажит новые уровни нашей некомпетентности? Возможно, более плодотворным направлением является исследование не самих гравитационных эффектов, а когнитивных искажений, заставляющих нас верить в их абсолютность.

В конечном счёте, человек — не рациональный агент, а биологическая гипотеза с систематическими ошибками. И любые попытки построить модели реальности, будь то физические или экономические, обречены на неудачу, если не учитывают эту фундаментальную особенность. Эта установка — не шаг к пониманию Вселенной, а лишь более сложный инструмент для измерения наших собственных надежд и страхов.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.17022.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-24 11:39