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Dec 01, 2023

Quantenquetschen: Am Rande der Physik

Von Whitney Clavin, California Institute of Technology (Caltech), 30. Juli 2023 Lee McCuller, Physikprofessor und Experte für Quantenquetschung, entwickelt innovative Techniken zur Verbesserung der

Von Whitney Clavin, California Institute of Technology (Caltech), 30. Juli 2023

Lee McCuller, Physikprofessor und Experte für Quantenquetschung, entwickelt innovative Techniken, um die Empfindlichkeit von LIGO, dem weltweit fortschrittlichsten Gravitationswellendetektor, zu erhöhen. Sein zukünftiges Ziel ist es, die Anwendung dieser Techniken über LIGO hinaus auszuweiten.

Der neue Caltech-Professor Lee McCuller macht Quantenmessungen noch präziser.

Der neue Assistenzprofessor für Physik, Lee McCuller, genoss schon in jungen Jahren den praktischen Prozess des Bauens. Dieses Interesse wurde von seinem Onkel gefördert, der für ihn eine Stromversorgung baute. McCuller verwendete dies in Verbindung mit elektronischen Hobby-Kits von RadioShack und führte einfache Aufgaben aus, wie zum Beispiel die Bedienung analoger Schaltkreise zum Ein- und Ausschalten von Lichtern und Motoren. Heute wird McCullers Ingenieurskunst in einem außergewöhnlich fortschrittlichen Gerät eingesetzt, das manche als das fortschrittlichste Messgerät der Welt bezeichnen würden: dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO.

Lee McCuller, Assistenzprofessor für Physik. Bildnachweis: Caltech

McCuller is a recognized expert in a field known as quantum squeezing, a technique utilized at LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">LIGO to achieve extremely precise measurements of gravitational waves. that travel millions and billions of light-years across space to reach us. When black holes and collapsed stars, called neutron stars, collide, they generate ripples in space-time, or gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Gravitationswellen. Die Detektoren von LIGO – die sich in Washington und Louisiana befinden – sind auf die Erfassung dieser Wellen spezialisiert, sind jedoch durch Quantenrauschen eingeschränkt, eine inhärente Eigenschaft der Quantenmechanik, die dazu führt, dass Photonen im leeren Raum auftauchen und wieder verschwinden. Quantenquetschen ist eine komplexe Methode zur Reduzierung dieses unerwünschten Rauschens.

Die Forschung zum Quantensqueezing und damit verbundenen Messungen nahm bereits in den 1980er Jahren zu, mit wichtigen theoretischen Studien von Kip Thorne (BS '62) vom Caltech, emeritiertem Richard P. Feynman-Professor für Theoretische Physik und dem Physiker Carl Caves (PhD '79). ) und andere weltweit. Diese Theorien inspirierten Jeff Kimble, den emeritierten William L. Valentine-Professor für Physik, zur ersten experimentellen Demonstration des Quetschens im Jahr 1986. In den nächsten Jahrzehnten gab es viele weitere Fortschritte in der Quetschforschung, und jetzt steht McCuller an der Spitze dieses innovativen Gebiets. Er war beispielsweise damit beschäftigt, eine „frequenzabhängige“ Kompression zu entwickeln, die die Empfindlichkeit von LIGO erheblich verbessern wird, wenn es im Mai dieses Jahres wieder eingeschaltet wird.

After earning his bachelor’s degree from the University of Texas at Austin in 2010, McCuller attended the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Chicago, where he earned his PhD in physics in 2015. There he began work on an experiment called the Fermilab Holometer, which looked for a speculative type of noise that would link gravity with quantum mechanics. It was during this project that McCuller met LIGO scientists, including MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Rai Weiss vom MIT – der zusammen mit Thorne und Barry Barish, dem emeritierten Ronald und Maxine Linde-Professor für Physik, 2017 den Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechende Arbeit an LIGO gewann. McCuller ließ sich von Weiss und dem LIGO-Projekt inspirieren und beschloss 2016, dem MIT beizutreten. Im Jahr 2022 wurde er Assistenzprofessor am Caltech.

McCuller hofft, die von ihm für LIGO entwickelten Quantenmesswerkzeuge in Zukunft auf andere Probleme anwenden zu können. „Wenn LIGO das präziseste Lineal der Welt ist, dann wollen wir diese Lineale für jedermann verfügbar machen“, sagt er.

LIGO Hanford Labor. Bildnachweis: LIGO-Labor

Caltech News traf sich über Zoom mit McCuller, um mehr über Quantensqueezing und seine zukünftigen Anwendungen in anderen Bereichen zu erfahren und um herauszufinden, was McCuller dazu inspiriert hat, sich Caltech anzuschließen.

Nach meinem Abschluss an der University of Chicago im Jahr 2015 begann ich am MIT mit der Arbeit an LIGO. Als ich zur Tür hereinkam, hielten sie gerade eine Besprechung über die erste Entdeckung von Gravitationswellen ab! Die Öffentlichkeit wusste es noch nicht, aber es gab Gerüchte. Es war aufregend zu erfahren, dass die Gerüchte wahr waren, und es war schön zu sehen, wie alle überglücklich waren, dass alles funktionierte.

Zu dieser Zeit fand vor Ort ein Experiment zur frequenzabhängigen Nutzung von gequetschtem Licht statt, das später in diesem Jahr am LIGO beginnen wird. Meine Aufgabe bestand darin, dabei zu helfen, die erste umfassende Demonstration davon aufzubauen. Die Gruppe vor mir hatte das Konzept bereits zuvor demonstriert, jedoch nicht in vollem Umfang. Ich war dort, um genau zu zeigen, was nötig wäre, um es in den LIGO-Observatorien einzusetzen. Dies erforderte einen besonders anspruchsvollen Versuchsaufbau.

An jedem der Observatoriumsstandorte misst LIGO mithilfe von Laserstrahlen Störungen in der Raumzeit – die Gravitationswellen. Die Laserstrahlen werden im 90-Grad-Winkel zueinander abgefeuert und wandern über zwei 4 Kilometer lange Arme. Sie werden von Spiegeln reflektiert und wandern die Arme hinunter, um sich wieder zu treffen. Wenn eine Gravitationswelle durch den Weltraum geht, dehnt und drückt sie die LIGO-Arme, so dass die Laser aus dem Takt geraten; Wenn sie sich wieder treffen, erzeugt der kombinierte Laser ein Interferenzmuster.

Auf der Quantenebene gibt es Photonen im Laserlicht, die zu unterschiedlichen Zeiten auf die Spiegel treffen. Wir nennen dieses Schrotrauschen oder Quantenrauschen. Stellen Sie sich vor, Sie werfen eine Dose voller BBs weg. Sie alle landen auf dem Boden und klicken und klackern unabhängig voneinander. Die BBs schlagen wahllos auf den Boden und erzeugen dabei ein Geräusch. Die Photonen ähneln den BBs und treffen zu unregelmäßigen Zeiten auf die Spiegel von LIGO. Quantenquetschen sorgt im Wesentlichen dafür, dass die Photonen regelmäßiger ankommen, als ob die Photonen Händchen halten würden, anstatt sich unabhängig voneinander zu bewegen. Und das bedeutet, dass Sie die Phase oder Frequenz des Lichts im Inneren von LIGO genauer messen können – und letztendlich sogar schwächere Gravitationswellen erkennen können.

Um Licht zu komprimieren, verschieben wir im Grunde die Unsicherheit, die Lichtwellen innewohnt, von einem Merkmal zum anderen. Wir machen das Licht sicherer in seiner Phase oder Frequenz und weniger sicher in seiner Amplitude oder Leistung [das Unschärfeprinzip besagt, dass sowohl die genaue Frequenz als auch die Amplitude einer Lichtwelle nicht gleichzeitig bekannt sein können]. Es ist sehr schwierig, wirklich im Detail zu erklären, wie das Quetschen funktioniert! Ich weiß vor allem, wie man es mit Mathematik beschreibt.

Das Interessante an gequetschtem Licht ist, dass wir dem eigentlichen Laser nichts antun. Wir rühren es nicht einmal an. Wenn wir LIGO betreiben, versetzen wir die Arme so, dass die Welleninterferenz nicht vollkommen dunkel ist – eine kleine Menge Licht dringt durch. Das kleine bisschen Licht, das übrig bleibt, hat ein elektrisches Feld, das Quantenfluktuationen im Vakuum oder im leeren Raum stört, und dies führt zum Schrotrauschen oder zu Photonen, die sich wie BBs verhalten, wie wir bereits erwähnt haben. Wenn wir Licht komprimieren, komprimieren wir tatsächlich das Vakuum, sodass die Frequenz der Photonen eine geringere Unsicherheit aufweist.

Up until now, we have been squeezing light in LIGO to reduce uncertainty in the frequency. This allows us to be more sensitive to the high-frequency gravitational waves within LIGO’s range. But if we want to detect lower frequencies—which occur earlier in, say, a black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern, bevor die Körper kollidieren, müssen wir das Gegenteil tun: Wir wollen die Amplitude oder Stärke des Lichts sicherer und die Frequenz weniger sicher machen. Bei den niedrigeren Frequenzen bewegt das Schrotrauschen, unsere BB-ähnlichen Photonen, die Spiegel auf unterschiedliche Weise herum. Das wollen wir reduzieren. Unser neuer frequenzabhängiger Hohlraum an den LIGO-Detektoren soll die Frequenzunsicherheit bei den hohen Frequenzen und die Amplitudenunsicherheit bei den niedrigen Frequenzen reduzieren. Das Ziel besteht darin, überall zu gewinnen und die unerwünschten Spiegelbewegungen zu reduzieren.

Ein Grund dafür, dass diese Technologie im nächsten Durchgang wichtiger wird, liegt darin, dass wir die Leistung unserer Laser erhöhen. Mit mehr Leistung üben Sie mehr Druck auf die Spiegel aus. Unsere neue Quetschtechnologie ermöglicht es uns, die Leistung zu erhöhen, ohne dass es zu unerwünschten Spiegelbewegungen kommt.

What this means is that we will be even more sensitive to the early phases of black hole and neutron starA neutron star is the collapsed core of a large (between 10 and 29 solar masses) star. Neutron stars are the smallest and densest stars known to exist. Though neutron stars typically have a radius on the order of just 10 - 20 kilometers (6 - 12 miles), they can have masses of about 1.3 - 2.5 that of the Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Neutronensternverschmelzungen, und dass wir sogar schwächere Verschmelzungen beobachten können.

An einem Projekt, an dem ich arbeite, sind Kathryn Zurek und Rana Adhikari beteiligt. Wir bauen einen Detektor in Tischgröße, der versuchen wird, Signaturen der Quantengravitation oder Pixel in Raum und Zeit, wie manche sagen, zu erfassen. Die Idee besteht darin, Interferometer eher zu Detektoren für die Hochenergiephysik zu machen. Die Detektoren würden klicken, wenn etwas hindurchgeht, wodurch die Auswirkungen von Schussgeräuschen weitgehend umgangen werden. Ich liebe die Motivation des Projekts – die Quantengravitation, bei der es darum geht, Gravitationstheorien mit der Quantenphysik zu verbinden. Es ist ein sehr hohes Ziel.

Im Allgemeinen hoffe ich, aus der LIGO-Arbeit zu wachsen und Quantenmesstechniken anzuwenden, um nicht nur die Gravitationswellendetektoren zu verbessern, sondern auch zu sehen, wo andere grundlegende physikalische Experimente oder Technologien verbessert werden können. Ich möchte die Quantenoptik nicht unbedingt zur Berechnung oder zur Information, sondern zur Messung nutzen. Das Quetschen von Licht ist eine der ersten Demonstrationen dieser Konzepte in einem echten Experiment. Die Hoffnung ist, dass wir diese Quantentechniken weiterhin in immer mehr Experimenten einsetzen können. Wir wollen die Vorteile von LIGO nutzen und alle Orte finden, an denen wir sie anwenden können.

Caltech hat viele missionsorientierte Wissenschaftler. Es geht nicht nur ums Lernen, Vorführen oder Erkunden – es ist die Mischung all dieser Dinge. Ich mag einen Ort, an dem das Ziel darin besteht, Technologien zu integrieren und neue Experimente durchzuführen. Nehmen wir zum Beispiel LIGO. Wie das Ganze funktioniert, wissen die wenigsten und viele von ihnen sind hier. Caltech ist ein Ort, an dem die Leute verstehen, dass das, was wir tun, schwierig ist. Gute Projekte erfordern sowohl enges als auch breites Fachwissen und eine Kombination der richtigen Leute. Die Studierenden sind sowohl durch die wissenschaftlichen Ziele als auch durch den Prozess gleichermaßen motiviert. Wir versuchen nicht nur, etwas zu bauen, das zuverlässig funktioniert, wir versuchen auch, etwas zu bauen, das an der Grenze des Machbaren liegt.