Как квантовая запутанность поможет в детектировании гравитационных волн

    Мы недавно сделали эксперимент по проверке нового подхода к снижению квантовых шумов в LIGO и написали статью про это, смотрите на arXiv: «Demonstration of interferometer enhancement through EPR entanglement». А тут я расскажу, какие такие квантовые шумы в LIGO, как их можно снизить, и при чем тут квантовая запутанность и сжатый свет.


    1. Чувствительность LIGO и квантовые шумы


    Я рассказывал про то, как работает детектор и какие в нем бывают шумы подробно в прошлой публикации про Einstein Telescope. В детекторе есть множество разнообразных шумов: сейсмические, тепловые, квантовые и другие — и все они мешают регистрировать сигнал от гравитационных волн.

    image
    Основные вклады в чувствительность LIGO на разных частотах, нормированные на амплитуду ГВ (strain).

    Вся сложность в создании гравитационно-волнового детектора заключается в снижении этих шумов. Большинство из этих шумов являются не фундаментальными, а скорее техническими ограничениями. И только квантовые шумы возникают из самой природы измерительного аппарата. Они станут главным препятствием к лучшей чувствительности в будущих детекторах, так что на них мы и остановимся подробнее. Есть два квантовых шума: дробовой шум (shot noise) и шум радиационного давления (radiation pressure noise).

    Дробовой шум возникает из-за квантовой природы лазера: луч лазера состоит из фотонов, летящих с разной случайной задержкой между друг другом. Когда эти фотоны измеряются на фотодиодах, флуктуации потока фотонов приводят к флуктуациям тока и, как следствие, к шуму в сигнале, который мы наблюдаем.

    Шум радиационного давления — вторая сторона квантовой природы света. Как известно из классического электромагнетизма еще со времен опытов Лебедева, предмет, на который светит свет, испытывает давление света. Это просто понять если рассмотреть фотон как частицу: каждая частица несет импульс, который и передается телу при ударе. То есть, когда лазер светит на подвижное зеркало, зеркало начинает смещаться под действием силы светового давления. А так как фотоны распределены случайным образом, иногда за данный интервал времени на зеркало прилетает больше фотонов, иногда — меньше, и эта сила светового давления оказывается тоже случайной. Итак: квантованность света приводит к случайной силе, действующей на зеркала в LIGО. Эта сила вызывает случайное смещение зеркал, которое и регистрируется на выходе из интерферометра как паразитный сигнал.

    image
    Пояснение про квантовые шумы. Случайное распределение числа фотонов производят случайную силу радиационного давления (слева). С другой стороны, случайное распределение фотонов во времени приводит к флуктуациям амплитуды на фотодетекторе (справа). Оба шума зависят от длины волны, мощности света и длины плеча. Шум радиационного давления тем меньше, чем больше масса зеркал. Credit: [1].

    Шум радиационного давления тем сильнее, чем больше мощность света, падающего на зеркала (т.е. поток фотонов). Сигнал от ГВ тоже растет с ростом мощности света в детекторе. Дробовой шум в нормировке на сигнал при этом падает. В итоге получается, что можно увеличить чувствительность, ограниченную дробовым шумом, увеличив мощность света, но за это придется заплатить возрастающим шумом радиационного давления. И наоборот. Нет способа классическим способом подавить сразу оба квантовых шума. Придется использовать квантовые технологии.

    image
    Зависимость чувствительности от мощности света: дробовой шум (синий) уменьшается, а шум радиационного давления (зеленый) — пропорционально возрастает.

    2. Сжатый свет


    На Хабре есть замечательная статья про сжатый свет за авторством qbertych. Если вы не знаете, что такое сжатый свет, настоятельно рекомендую сперва прочитать его статью. Я же буду краток.

    Если смотреть на свет как на волну, характерными параметрами будет не поток фотонов и задержка между ними, а амплитуда и фаза волны. Обычно говорят о фазовой и амплитудной квадратурах света.

    $E = E_0 \cos (\omega_0 t + \phi) = E_0 \cos \omega_0 t \cos \phi - E_0 \sin \omega_0 t \sin \phi =\\ = E_{ф} \sin \omega_0 t + E_{а} \cos \omega_0 t$


    Если интересующий нас сигнал заключен в фазе света, и он достаточно мал, то можно сделать приближение:

    $E_{ф} = E_0 \sin \phi \approx E_0 \phi; \quad E_{a} = E_0 \cos \phi \approx E_0$

    Поэтому величину $E_{ф}$ называют фазовой квадратурой — в ней содержится информация о фазе.

    Соответственно, дробовой шум является флуктуациями фазы света, а шум радиационного давления вызван флуктуациями амплитуды.

    Неопределенность в фазе и неопределенность в амплитуде связаны соотношением Гейзенберга:

    $\Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{а} \leq \frac{1}{2}$


    В обычном лазерном луче эти неопределенности равны. Однако, можно сжать неопределенность в фазе за счет увеличения неопределенности амплитуды — главное, чтобы их произведение удовлетворяло соотношению неопределенности. Такой свет называется сжатым:

    $\Delta^2 E_{ф}^{sqz} = e^{-2r}\Delta^2 E_{ф}, \Delta^2 E_{a}^{sqz} = e^{2r}\Delta^2 E_{a}\\ \Delta^2 E_{ф}^{sqz} \Delta^2 E_{a}^{sqz} = \Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{a} \leq \frac{1}{2},$

    где r-степень сжатия.

    Вообще говоря, даже при отсутствии мощного луча всегда существуют вакуумные флуктуации. Их тоже можно сжать, чтобы получить сжатый вакуум: в среднем в нем количество фотонов равно нулю, но при этом флуктуации амплитуды и фазы оказываются сжаты.


    Именно вакуумные флуктуации, входящие через сигнальный порт в детектор, являются источником квантового шума в LIGO. Поэтому если этот вакуум сжать в фазе, это снизит дробовой шум в детекторе.

    Такой подход используется в детекторе GEO600 на протяжении последних 8 лет, снижая дробовой шум в четыре раза, а начиная с этого года внедрен и в LIGO, снижая дробовой шум в два раза (что в 8 раз увеличивает количество зарегистрированных событий).

    image

    Слева: пример улучшения чувствительности LIGO с помощью сжатого света. Справа: лучшее сжатие на сегодняшний день было создано в нашей группе несколько лет назад: вакуумные флуктуации были подавлены на 15 дБ.

    Однако, все не так просто: согласно соотношению неопределенности, если мы сжимаем фазу, мы увеличиваем флуктуации в амплитуде. А они увеличивают шум радиационного давления. И снова приходится выбирать, какой шум уменьшать за счет увеличения другого. А нельзя ли как-то обойти это ограничение?

    3. Частотно-зависимое сжатие


    К счастью, два квантовых шума ограничивают чувствительность детектора на разных частотах: на низких шум радиационного давления гораздо сильнее дробового, а на высоких — наоборот. Потому, можно приготовить хитрое сжатие света, где на низких частотах свет сжат по амплитуде (и поэтому уменьшается шум радиационного давления), а на высоких — по фазе (и поэтому уменьшается дробовой шум).


    Частотно-зависимое сжатие: на разных частотах сжимается амплитуда, фаза или их комбинация. В результате чувствительность улучшена на всех частотах. [S S Y Chua et al 2014 Class. Quantum Grav. 31 183001]

    Фундаментально причина необходимости частотно-зависимого сжатия в том, что радиационное давление на зеркала тоже создает сжатие света, но в другой квадратуре. Это видно на изображении ниже: если использовать обычное сжатие на входе, на выходе оно приобретает частотную зависимость из-за радиационного давления. Чтобы эту частотную зависимость «отменить», нужно задать обратную зависимость для сжатия на входе.


    Пример из статьи: сверху показана зависимость улучшения чувствительности интерферометра при использовании обычного сжатия как функция частоты и разной фазы измерения — сигнал находится в фазовой квадратуре, и видно, что если на высоких частотах чувствительность возрастает (голубой цвет), то на низких — падает (красный). Если использовать частотно-зависимое сжатие, можно улучшить чувствительность на всех частотах.

    Итак, концептуально проблема снижения квантового шума на всех частотах решаем, остается вопрос: как воплотить такую частотную зависимость. Для этого надо разобраться, как превратить сжатую фазу в сжатую амплитуду. На самом деле, очень просто: произвести сдвиг фазы:

    $E_{ф}^{sqz} = E_0 e^{-2r} \sin (\phi) \rightarrow E_0 e^{-2r} \sin (\phi + \pi/2) = E_{a}e^{-2r}$

    Обычно для сдвига фазы достаточно простого зеркала, которое изменит длину пути, проходимого светом. Однако в данном случае нужно устройство, которое создаст частотно-зависимый сдвиг фаз: не сдвигать фазу на высоких частотах, а на низких сдвигать на $\pi/2$.

    На настоящий момент ведущей концепцией создания частотно-зависимого сжатия во всех дизайнах детекторов будущего является использование дополнительных фильтрующих резонаторов. Если сжатый вакуум отразить от такого резонатора, когда он отстроен от резонансной частоты, он приобретет необходимую частотную зависимость. Однако, в ней есть большая сложность: чтобы создать требуемую частотную зависимость, резонаторы должны быть длиной в несколько сот метров в вакууме, а это очень дорого и сложно контролировать. У нас есть другая идея.

    Дело в том, что в самом детекторе уже есть множество резонаторов подходящих размеров, малыми потерями и с хорошо известным способом контроля, но использовать напрямую их не получится — для частотно-зависимого сжатия необходима отстройка от резонанса. Но у каждого резонатора есть много резонансных частот, при этом детектор работает только на одном из них. Идея в том, чтобы использовать другой резонанс, отразив сжатый свет от самого интерферометра для получения необходимой частотной зависимости. Остается вопрос: как использовать частотную зависимость созданную на частоте, отличной от основной рабочей частоты лазера. И тут на помощь приходит квантовая запутанность.

    4. Квантовая запутанность и парадокс ЭПР


    Вопрос о природе запутанности несомненно достоин отдельной статьи. Я чуть подробнее обсуждал запутанность в прошлой статье на хабре, так что тут лишь вкратце расскажу основные его свойства. Начнем с парадокса ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена): три джентльмена заметили, что в квантовой механике есть некоторая загвоздка. С одной стороны, есть принцип неопределенности, который говорит, что нельзя одновременно точно измерить координату и импульс частицы (а в нашем случае — амплитуду и фазу света). С другой стороны, можно произвести такой простой эксперимент: взять событие распада частицы, в котором рождается две идентичных частицы. По закону сохранения импульса, они разлетятся в противоположные направления с одинаковой скоростью. Если измерить импульс одной частицы, мы будем точно знать импульс второй. Если измерить координату второй частицы, мы будем одновременно точно знать и координату (мы ее измерили), и импульс (мы его предсказали из измерения первой частицы), что, казалось бы, невозможно из-за соотношения неопределенности. Видимый парадокс решается введением понятия запутанности частиц: две частицы не являются независимыми друг от друга, они описываются одной волновой функцией. Эта волновая функция нелокальна: до момента измерения нельзя сказать, какая из частиц полетела в какую сторону. В некотором смысле они обе полетели в обе стороны сразу, и только в момент измерения происходит случайный выбор, какая из частиц измерена. Их координаты и импульс связаны так, что на их относительное значение соотношение неопределенности не распространяется. Более того, если на одну из частиц подействовать, например какой-то силой, вторая частица тоже «почувствует» эту силу — ее измеренные параметры изменятся соответственно.

    Итак, для нас самое важное: если у нас есть две частицы, мы можем точно предсказать свойства второй частицы, измерив первую. Мы можем поставить источник воздействия на пути одной частицы, и он подействует на две сразу. Произведя правильное измерение, мы можем увидеть результат этого воздействия.

    Как используем это мы (было предложено впервые в статье в Nature Physics[2]). Роль частиц в ЭПР у нас играют два луча сжатого вакуума на двух частотах: основной частоте интерферометра и частоте следующего резонанса резонатора. Мы их запутываем, один из них (высокой частоты) отражаем от отстроенного резонатора и измеряем. Он получает частотную зависимость. Так как лучи запутаны, эта частотная зависимость передается и лучу на основной частоте. После измерения мы можем предсказать сигналы в основном луче в идеале с идеальной точностью. Для этого мы отдельно измеряем на двух отдельных детекторах, и оптимальным образом обрабатываем данные.


    Полная схема частотно-зависимого сжатия на основе запутанности из [2]. ОРА (оптический параметрический усилитель) создает два запутанных луча сжатого вакуума на разных частотах, оба они посылаются в детектор. Луч на несущей частоте оказывается в резонансе в интерферометре. Луч на высокой частоте отстроен от одного из высших резонансов. На выходе лучи разделяются и детектируются на двух разных гомодинных детекторах, после чего обрабатываются оптимальным образом.

    5. Эксперимент


    Наш эксперимент не включает в себя полный интерферометр с подвижными зеркалами. Вместо этого мы исследуем возможность получить частотно-зависимое сжатие с помощью запутанных света, отраженного от резонатора.


    Упрощенная схема эксперимента. Вместо полного интерферометра у нас есть один оптический резонатор длинной 2.5м. Вместо двух разных гомодинных детекторов мы используем один детектор, но два опорных луча разных частот.

    Как я писал выше, в интерферометре радиационное давление создает частотную зависимость у сжатого света, которая портит чувствительность детектора. Чтобы эту частотную зависимость отменить, нам нужно создать обратную частотную зависимость у сжатого света. В нашем эксперименте чувствительность портит не радиационное давление (у нас нет подвижных зеркал), а отстройка детектора от резонанса (см картинку ниже (а)). При измерении в сигнальной квадратуре (phase readout) это портит чувствительность на низких частотах (красный цвет).

    Чтобы восстановить чувствительность, мы отстраиваем дополнительный луч (idler) от резонанса в обратную сторону. Тогда после измерения мы можем полностью восстановить чувствительность. В терминах ЭПР — мы можем предсказать результат измерения фазовой квадратуры с лучшей точностью используя квантово-запутанный свет.


    Два эксперимента по наблюдению частотно-зависимого сжатия. В первом (а) мы отстроили сигнальный луч от резонанса детектора, испортив тем самым чувствительность в фазовой квадратуре (и создав частотную зависимость у сжатого света). Во втором мы создали дополнительную частотную зависимость у второго луча (idler) и за счет квантовой запутанности между двумя лучами signal и ilder смогли восстановить испорченную чувствительность, отменив частотную зависимость, внесенную в первом эксперименте.

    На изображении выше частотная зависимость в (а) оказывается довольно смазанной. Это происходит из-за ограничений в пост-обработке: в идеале нужно два отдельных гомодинных детектора, сигналы с которых можно фильтровать оптимальным образом. Однако, в другом режиме мы можем получить красивую частотную зависимость у сжатого света, если отстроим оба луча от резонанса в одном направлении. Такая схема не актуальна для детектора, но дает представление о возможностях установки. Ну и просто красивые экспериментальные данные :)


    6. Заключение


    Подведем итоги. Квантовые флуктуации света являются главным и наиболее фундаментальным источником шумов во всех современных и будущих детекторах. Для их подавления можно использовать квантовые корреляции — сжатый свет. Однако, чтобы понизить шумы во всем частотном диапазоне детектора, необходимо сжимать амплитудные флуктуации на низких частотах и фазовые — на высоких. Такое частотно-зависимое сжатие предлагается осуществлять с помощью специальных фильтрующих резонаторов. Традиционно такие резонаторы очень дороги и сложны в реализации. Наша альтернатива — использовать сам детектор как фильтрующий резонатор, использовав квантово-запутанный свет. Мы сделали эксперимент и показали, что квантовая запутанность на самом деле позволяет воплотить эту идею.

    Такой подход не является панацеей, увы: за удобство приходится платить. Для полноценной работы концепции необходимо использование двух гомодинных детекторов, что достаточно сложно экспериментально. Кроме того, второй детектор добавляет шум в чувствительность — пусть и гораздо меньше, чем можно выиграть от сжатия.

    В этой работе мы поигрались с запутанностью и сжатым светом и показали, как можно использовать их для улучшения чувствительности детекторов будущего. Но это, конечно, только первый шаг в долгой дороге по реализации такого подхода в настоящем детекторе: нужно проверить, как все работает с настоящим интерферометром, с подвижными зеркалами, двумя гомодинами и так далее. В общем, работы еще полным-полно.

    Для интересующихся подробности в нашей статье и статье, где идея впервые была изложена [2].

    [1] S. Hild Beyond 2nd Generation GW detectors
    [2] Y. Ma et al, Proposal for gravitational-wave detection beyond the standard quantum limit through EPR entanglement, Nature Physics volume 13, pages 776–780 (2017)

    7. Разное


    А теперь немного новостей про LIGO:

    1. На настоящий момент LIGO зарегистировали 26 событий за последние полгода работы в рабочем цикле О3. За событиями можно следить по ссылке https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3/, а для айфона есть целое приложение.
    2. Самым интересным было, пожалуй, недавнее событие с возможным детектированием слияния черной дыры и нейтронной звезды. Можно почитать, например, на N+1 или Scientific American. В общем, очень все интересно.
    3. Еще одно событие с массой черных дыр больше 100 солнечных. Считается, что обычные механизмы образования черных дыр не позволяют образовываться ЧД таких масс (c массой между 55 и 130 солнечных). Могут быть более экзотичные механизмы образования, но в любом случае любопытно, почитайте статью тут.
    4. Последние пару лет вокруг LIGO периодически разгорались слухи и нездоровые сенсации, мол, не видели ученые никаких гравитационных волн, все это ошибки в вычислениях. Научная группа из Дании выпустила несколько статей разной степени разоблачительности. LIGO наконец ответила большим и очень подробным гайдом по обработке данных детектора. Сама статья не является непосредственно ответом на датские статьи, но в том числе разбирает ошибки, сделанные там. Я не уверен, что доберусь до подробного разбора статьи на хабре, но там много всего интересного, и она неплохо написана, почитайте.

    И напоследок: если хотите понаблюдать за моими попытками разобраться в том, как вести научный твиттер, добро пожаловать: @hbar_universe.
    Поддержать автора
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 107

      +2
      Статья интересная. Но… До сих пор не могу понять суть природы полей (из чего состоят). Когда в 90-х задал подобный вопрос своему профессору по физике, он ответил, что это до сих пор не изученный вопрос. Время идёт, но так и не пойму, разобрались физики с этим вопросом или нет? Подскажите, какие прогнозы на этот счёт? Или только пока учимся детектировать явление?
        +9
        Я думаю, что самый правильный ответ, что поля не состоят из чего-то. Это самостоятельные физические объекты. В каком-то смысле все остальное состоит из возмущений этих полей. Каждая частица в квантовой теории поля — не более чем возмущение этого самого поля. Поля существуют везде и всегда, но где-то их среднее значение равно нулю, а где-то — нет, и как раз это отклонение от нуля мы называем частицей.

        Это совсем не интуитивно, я и сам скорее принимаю это, чем на самом деле понимаю.
          0
          А плотность энергии ЭМ поля (или гравитационного, если выйдет построить хорошую КТГ) в любой точке пространства строго больше нуля (пускай даже очень малой величиной может быть)?
            +3
            Энергия да, отлична от нуля — она же есть энергия вакуума. Даже при среднем количестве частиц в ноль, энергия все равно отличается от нуля. Про гравитацию не скажу, без КГТ сложновато:)
              –6
              ИМХО, гравитация это совсем не поле, а лишь неоднородность времени в пространстве, по этому и КТГ для нее не может существовать в принципе.
                +4

                Поле суть абстракция, которой нам мыслить удобно и можно даже посчитать.
                И задвигать телеги, вроде что, ваше поле, совмем и не поле, а градиент чего-то там, не есть хорошо. Ибо порождает кучу вопросов о природе чего-то там, вы кажется пространство и время упоминали, так расскажите нам…
                … и тут такой старый ВиллиВонка.jpg ;-)

          +2
          Спасибо огромное за статью, это очень интересно. Хотя при прочтении таких статей всегда есть мысль, что жизнь проходит где-то мимо…
            +10
            Спасибо! На самом деле, думается, что в науке все такая же рутина, как и в любом другом деле по большей части. Скажем, на эту статью мы потратили почти два года работы (в основном первый автор делал эксперимент). Я делаю свой эксперимент уже четыре года, и вот только-только получил какой-то результат. Моя прошлая статья уже год почти находится в журналах — никак не могу опубликовать. Просто по результатам можно показать красивые картинки и рассказать интересную историю, это да.

            И я вот читаю статьи на хабре всякие про железо или код, и думаю, что вот бы это все понимать, и сколько всего крутого делают люди, на что не хватает времени и знаний.
              +2
              Поверьте, у кодеров такое же ощущение про вас. Например, можете прокомментировать это? medium.com/the-physics-arxiv-blog/quantum-experiment-shows-how-time-emerges-from-entanglement-d5d3dc850933
              Типо время — это побочка от квантового запутывания. В принципе, логично, если можно создать две запутанные частицы, разнесенные во времени, но все равно звучит как бред.
                +3
                Сложно сказать, если честно. Во-первых, думаю, что надо разделять идею от эксперимента. Эксперимент не показал ничего такого необычного, и его, конечно, можно интерпретировать так тоже, но это отчасти натягивание совы на глобус. У меня есть ощущение, что они несколько манипулируют понятиями стационарности и определением времени. В частности, они говорят о времени как об измеряемой величине: по сути дела, создают ситуацию, в которой их способ измерения времени не работает, и им кажется, что время не идет. При этом абсолютное время, как в ОТО «пространстве-времени», никуда не девается. Так что это скорее иллюстрация, но никак не доказательство идеи.
                Вы также можете посмотреть, что статья опубликована «всего лишь» в PRA, хотя и неплохо цитируема: journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.89.052122
                Если бы это было реальной демонстрацией, как в заголовке статьи на медиуме, это было бы опубликовано в Nature и с тысячами цитирований. Это просто как потенциальный маркер влиятельности исследования.

                Во-вторых, сама идея того, что время возникает из запутанности интересна. Но она может быть справедлива скорее всего только если и структура пространства тоже возникает из природы запутанности (все таки в ОТО мы всегда говорим о пространстве-времени, а любая теория времени должна быть совместима с ОТО). То есть, есть пространство квантовых состояний — пространство Гильберта, а пространство-время возникают на более высоких уровнях рассмотрения структуры этих квантовых состояний. Такая идея тоже есть, и люди пытаются разобраться с эмерджентностью пространства-времени из структуры квантовой запутанности, но там пока еще конь не валялся — все сложно и непонятно.
                  +1
                  Не, там уже нормой считается, что нелокальное взаимодействие может быть не только сквозь пространство, но и сквозь время. (Статья в Nature Physics doi.org/10.1038%2Fnphys2294 )
                  А в статье на PRA вроде доказывается переход от «ой, у нас есть два фотона, которые запутаны, но никогда не сосуществовали во времени» до «время вторично»
                    0
                    Не, там уже нормой считается, что нелокальное взаимодействие может быть не только сквозь пространство, но и сквозь время.

                    Это конечно, но в этом ничего необычного нет. Хотя ваш пример статьи не лучший для этого, как мне кажется: скорее уж что-то типа этого journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.210403

                    А вот переход ко «время вторично» очень нетривиален. Время, которое обсуждается там — это способ измерения времени. Если вы откроете journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.79.041501
                    In generally covariant systems, like general relativity,when one works out the canonical formulation theHamiltonian is a constraint, i.e. it vanishes identically.This implies that the parameter that usually plays the role of time in canonical formulations is not adequate to describe the dynamics of the system. This constitutes one of the aspects of the ‘‘problem of time’’ for generally covariant systems (see Kucharˇ[1] for a good review). Page and Wootters proposed an approach to deal with this issue [2].The proposal consists in building a quantum theory of the system of interest by promoting all variables of the system to quantum operators and then choosing one of the variables to be a ‘‘clock’’ and computing conditional probabilities for the other variables to take certain values when the clock takes a given value.


                    Тут видно, что речь идет не о том, что время возникает из запутанности, а скорее о том, что понятие времени в квантах и ОТО отличаются. Любая теория квантовой гравитации должна эти два понятия сочетать. Поэтому они пытаются придумать другой способ определить измерение времени в квантах так, чтобы это потом могло сочетаться с квантовой гравитацией. И именно это иллюстрируется в эксперименте — но все равно это и близко не доказательство, потому и заголовок статьи «An experimental illustration».
                      0
                      Ясно. Хммм. Более практичный вопрос, LIGO собирается это использовать, что в статье написано? А то вроде не сказано.
                        0
                        Ну до этого еще нужно столько всего проверить и изучить… Идея появилась два года назад, сейчас вот первый эксперимент (еще другие группы работают над тем же). В LIGO сейчас устанавливают отдельные фильтрующие резонаторы, и будут пытаться использовать их. Но в будущих детекторах типа Einstein Telescope это еще дороже и сложнее, так что может вот для них эта новая схема и пригодится. Но наверняка в ней куча подводных камней, так что еще изучать и изучать.
                    0
                    То есть, есть пространство квантовых состояний — пространство Гильберта, а пространство-время возникают на более высоких уровнях рассмотрения структуры этих квантовых состояний.По
                    Под высокими уровнями, что имеется в виду? Это: «квантовые числа, описывающие систему, являются большими, означая или возбуждение системы до больших квантовых чисел, или то, что система описана большим набором квантовых чисел, или оба случая.» Критерий классического предела, в применении к пр-временному континууму? Ведь текущее понимание пр-временного континуума в СТО и ОТО фактически классическое.
                    Такая идея тоже есть, и люди пытаются разобраться с эмерджентностью пространства-времени из структуры квантовой запутанности, но там пока еще конь не валялся — все сложно и непонятно.
                    Заметил, что вы используете понятие эмерджентности явлений. Интересно, в каком смысле вы ее понимаете в применении к физическим явлениям? В одном из коментов пытался сформулировать, как ее понимаю в применении к ментальным феноменам. Сейчас наблюдается повышенный интерес к этому подходу, вплоть до установления вычислимых критериев эмерджентности в теории систем. При благоприятном стечении обстоятельств собираюсь написать статью на эту.
                      +1
                      Под высокими уровнями, что имеется в виду?
                      В данном контексте похоже на принцип соответствия, хоть и несколько иное. Пространство квантовых состояние — пространство не в том же смысле слова, что «пространство-время» в ОТО. Это скорее набор всех возможных квантовых состояний Вселенной. Это пространство может быть бесконечным в принципе. Наша Вселенная — волновая функция в этом пространстве. Так вот, если на эту волновую функцию посмотреть с большого расстояния (значительно больше стандартный квантовых размеров), то она будет обладать коллективными свойствами как пространство и время (и гравитация и т.д.). То есть, гравитация возникает просто из структуры квантового состояния (в конечном итоге из структуры запутанности).
                      Интересно, в каком смысле вы ее понимаете в применении к физическим явлениям?

                      Смысл достаточно простой: фундаментально все есть квантовые поля. Однако, мы наблюдаем классический мир: компьютер или стол. Они обладают свойствами, которых нет в квантовом мире: плотность, твердость, трение, яркость и т.п. Эти свойства — эмерджентные, они нам помогают говорить о мире, который мы наблюдаем. Конечно, можно было бы описать стол полностью на уровне квантовых полей. Но это очень сложно. А классический мир описать просто, и это описание достаточно точно, чтобы мы могли делать предсказания о поведении объектов на этом уровне.

                      Ментальные феномены несколько сложнее, как мне кажется, потому что для них мы часто являемся субъектами, и мы не можем дать четкую границу для этих свойств. Скажем, совершенно очевидно с натуралистической точки зрения, что свободы воли не существует. Однако, мы можем говорить об эмерджентной свободе воли — это удобно для приблизительных предсказаний о поведении людей. Но мне кажется тут понятие свободы воли несет слишком большую культурную и этическую нагрузку, поэтому я, например, предпочитаю говорить, что свободы воли нет даже эмерджентной, а есть иное свойство, которое задает неопределенность в наших знаниях и предсказаниях о поведении людей (включая нас самих).
              0
              Одиночные фотоны производят случайную силу радиационного давления (слева). С другой стороны, случайное распределение фотонов во времени приводит к флуктуациям амплитуды на фотодетекторе (справа).

              Сила давления одного фотона вроде как постоянная, если не учитывать показанное у Вас на картинке отклонения зеркала на подвесе от вертикального положения — тогда угол меняется и переданный импульс. А вот их число действительно флуктуирует.
                +1
                Я, конечно, имел в виду эффект коллективный, вы правы. Но если уж совсем строго, то у каждого фотона импульс тоже распределен как-то, так что формально сила даже от каждого фотона будет немного отличаться, как мне кажется.
                0
                Мы их запутываем, один из них (высокой частоты) отражаем от отстроенного резонатора и измеряем.

                А можете уточнить по этому моменту? Запутывать фотоны мы вроде как можем только созданием 2 одинаковой частоты. Потом нужно, чтобы один из них с чем-то взаимодействовал и создал фотон другой частоты?
                  +6
                  Почему же? В обычном параметрическом процессе в нелинейном кристалле один фотон накачки распадается на два фотона сигнала. Эти два фотона могут быть любых частот, главное, чтобы сохранение энергии и имульса выполнялось.
                    0
                    Ага, понял.
                  +3
                  Если две частицы, вылетевшие из одного центра, описываются одной волновой функцией, не следует ли из этого, что это одно явление, распространяющееся от центра, как раздувающийся шар, поэтому то, что происходит с одной частицей, происходит и с другой, так как это один объект?
                  О, и этот объект может пройти через две щели одновременно и проинтерферировать сам с собой.
                    +4
                    распространяющееся от центра, как раздувающийся шар,

                    ну это не совсем шар, но аналогия близкая. И да, запутанные частицы не имеет смысла рассматривать как две частицы, но как одно явление — волновую функцию. И да, интерференция через две щели — как раз об этом!
                    –10
                    RE… В детекторе есть множество разнообразных шумов: сейсмические, тепловые, квантовые и другие — и все они мешают регистрировать сигнал от гравитационных волн
                    О чем текст:
                    Когда авторы эксперимента очень аккуратно учли все шумы — никаких гравитационных волн нет.
                    RE… не видели ученые никаких гравитационных волн, все это ошибки в вычисления
                      +6
                      Это кто же вам такую глупость сказал?:)
                      –5
                      to Shkaff
                      грешен — много лет читаю хабр(горжусь) но разметкой так и не научился пользоваться — виноват
                      по делу
                      RE — это ссылка на текст статьи
                      из статьи (своими словами): когда учли все ошибки и главная ошибка (фактор регрессии) = сейсмические волны Земли
                      гравитационных волн нет — а отсюда вывод: значит и квантовый запутанности нет и боюсь догадываться… и хабра тоже нет!
                      а ведь логично — Земля ведь огромная масса
                        +3
                        из статьи (своими словами): когда учли все ошибки и главная ошибка (фактор регрессии) = сейсмические волны Земли

                        Это как же вы такое в статье вычитали?
                          –7
                          извините тезка
                          но ведь правда из статьи — когда учли все ошибки = гравитационным волнам места не осталось — извините.
                          проще говоря — вблизи Земли помехи от мелкой рыбки не поймать.
                          это ваш перевод
                            +6
                            Нет, я правда не понимаю, где у меня в статье это написано. Гравитационные волны регистрируются в среднем по одной в неделю. После того, как учитывают все ошибки.
                            проще говоря — вблизи Земли помехи от мелкой рыбки не поймать.

                            Гравитация от Земли действует иначе на детекторы и не мешает ловить ГВ.
                            это ваш перевод

                            Что?
                        –8
                        тезка извините но
                        RE Как квантовая запутанность поможет в детектировании гравитационных волн»
                        одно из трех: или квантовая механика или гравитационный волны или хабр кого-то точно нет -несовместимы извините
                        кстати спасибо — я почти сам в LIGO поверил
                        Земля раз в неделю (в среднем) немножко вздрогнула — значит мимо прошел StarWar Destroyer
                          0
                          Вот как будет штуки 4 детектора, тогда сможем отличать хотя бы «источник сигнала ближе 100М св. лет» от «источник сигнала дальше 1Г св. лет».
                            0
                            Ну вообще говоря это мы уже и сейчас можем. Кстати, 4 детектор (KAGRA в Японии) заработает в ближайшие месяцы.
                          +2
                          Полуоффтоп
                          Позволю себе и в этой теме удивиться тому, что на хабре не осветили сию новость
                            +4
                            Да, это классный эксперимент! Ну видите, хабр нынче не заинтересован в научно-популярных статьях, вот никто и не пишет.
                              0
                              Сказал автор научно-популярной статьи с вполне положительной оценкой…
                                +6
                                Не хабр как сообщество, а хабр как организация, пардон. Раньше они продвигали научно-популярное, авторов поддерживали через ППА, редакторы писали статьи. Нынче весь фокус на IT: это не плохо, просто научпопа тут скоро совсем не останется, а альтернативных сайтов на русском языке нет, увы.

                                Я же пишу только про то, чем занимаюсь сам непосредственно, а времени переводить чужие статьи на посторонние темы совсем нет, увы. Мне хочется делиться интересной наукой с людьми, но и хочется отклик пропорциональный затратам времени и сил. Для своих статей я хорошо знаю о чем пишу, плюс хочется рассказать про свою работу, так что даже если статью прочитает не так много людей, я буду рад. А вот для перевода чужих исследований, пусть и крутых, мотивации не хватает.
                                  0
                                  Вот была хотя бы одна статья в последнее время:
                                  habr.com/ru/company/golovanov_net/blog/464727
                                    +1
                                    Ну была, хорошо хоть что-то еще осталось, хотя Итан, да еще и в переводе sly_g это отдельный жанр:)
                                    0
                                    /оффтоп
                                    посмотрел 5 страниц выдачи поисковика
                                    ППА: переуступка прав аренды (2 шт)
                                    ППА: Партия «Процветающая Армения» (1шт)
                                    ППА: прерванный половой акт (все остальные)
                                    Предполагаю, что авторов поддерживали не через секс? Не то, чтобы так уж важно, просто любопытно — что такое ППА в контексте хабра?

                                0
                                Да, с гиктаймзом было интереснее.
                                  +2
                                  .
                                  Надеюсь автор меня простит. Уж больно поделиться хочется, а инструмента для поделиться на хабре нетути. Думаю, как автору, так и читателям сего треда будет интересно.
                                    0
                                    Очень интересно, спасибо!
                                  +1
                                  Вспомнил где об этом читал на русском
                                    0
                                    Если интересно комментирование этого эксперимента на матерном, то здесь))
                                  –1
                                  Отличная статья!
                                  Скоро придет понимание, что квантовые взаимодействия между объектами возможны только после установления между ними двухстороннего канала связи на обычном, классическом уровне, но никак не раньше. Данное обстоятельство не требует дополнительных разъяснений, но в профессиональной физической литературе явным образом никак не отмечено. Фактически, можно утверждать, что переносчиком квантовых взаимодействий являются классические взаимодействия, т.е в природе реализован квантово-классический дуализм. Наиболее ярким подтверждением данного утверждения как раз и является состояние квантовой запутанности.
                                    +1
                                    квантовые взаимодействия между объектами возможны только после установления между ними двухстороннего канала связи на обычном, классическом уровне, но никак не раньше.

                                    Нет, это мы не можем узнать о результатах взаимодействия без классического канал. Но в природе полно всего происходит, где измерение не играет никакой роли, и классический канал не нужен.
                                    Наиболее ярким подтверждением данного утверждения как раз и является состояние квантовой запутанности.
                                    Квантовая запутанность существует без необходимость в какой-либо классической составляющей. Более того, понятие «классический» уровень вообще довольно странно: в конечном итоге есть только квантовый уровень.
                                      0
                                      Нам и не нужно это знать (точнее нужно), т.к квантовые взаимодействия физически не могут быть отделены от классических взаимодействий. В противном случае нам пришлось бы согласиться с тем, что есть две Вселенных — одна классическая и одна квантовая))

                                      «Квантовая запутанность существует без необходимости в какой-либо классической составляющей».

                                      Наверное именно поэтому и не могут создать теорию квантовой гравитации?)) Как совместить «жуткое действие на расстоянии» с СТО и ОТО Альберта Эйнштейна?))

                                      Вопрос явно не закрыт. Интересно)
                                        0
                                        Как совместить «жуткое действие на расстоянии» с СТО и ОТО Альберта Эйнштейна?))

                                        Дык оч. просто же: ER=EPR
                                        Но это не точно;)
                                          0
                                          Да, это не точно)
                                            0
                                            Нет там никакого взаимодействия. Просто смешанное состояние частицы.
                                            Правда как-то на детекторе смешанное состояние фотона определяется как вполне конкретное.
                                            0
                                            Я, наверное, не очень вас понимаю.
                                            квантовые взаимодействия физически не могут быть отделены от классических взаимодействий.

                                            «Классических» взаимодействий нет вообще. Наша Вселенная — квантовая, а все, что мы видим «классическим» — это просто наш способ приблизительного описания мира. Нет никаких сомнений, что и гравитация должна быть квантовой, хотя мы пока и не знаем, какой именно.

                                            Как совместить «жуткое действие на расстоянии» с СТО и ОТО Альберта Эйнштейна?))

                                            Это как раз не проблема, есть Квантовая теория поля, которая учитывает эффекты СТО в квантовых системах. Есть квантовая теория поля в искривленных пространствах, которая учитывает эффекты ОТО в квантовых системах. Это все стандартные инструменты современной физики.
                                            Замечу, что в этих двух случаях гравитация не квантована, что является хорошим приближением для большинства случаев. По сути дела квантовая гравитация нужна только в экстремальных случаях: внутри черных дыр, может быть в нейтронных звездах и в начале Вселенной.
                                            0
                                            Возможно ли организовать квантовую запутанность объектов, находящихся в различных и существенно неинерциальных системах отсчета?) Вы физик, а я простой инженер — объясните популярно)
                                              0
                                              Можно, почему нет? я не очень понимаю сути вопроса, честно говоря, почему бы вдруг нет? Послали запутали фотон с одной системой и послали его в другую, запутали с ней. Получилось две запутанных системы. И не важно, в каких они системах отсчета.
                                                0
                                                Спасибо. Тоже так думаю, хотя простой инженер)
                                          0
                                          У меня возникла идея) Почему квантовые взаимодействия не зависят от расстояния? Потому что относительное «сечение взаимодействия» между квантово-запутанными объектами всегда остается одним и тем же, оно не изменяется с расстоянием между объектами! Т.е чем дальше объекты находятся друг от друга, тем «шире» площадь их квантового взаимодействия — закон обратных квадратов перестает играть роль. Вторая причина заключается в том, что сами по себе квантовые взаимодействия мгновенны, т.е нелокальны. Когда расстояние не играет роли, то взаимодействие априори нелокально! Не так ли?)
                                            0
                                            Я не очень понимаю, что вы имеете в виду под «квантовые взаимодействия не зависят от расстояния». Две запутанные частицы не взаимодействуют друг с другом как-то особо «квантово»: они теряют свою идентичность, после запутывания не имеет смысла говорить об одной частице. Появляется новый объект — запутанная пара частиц.
                                            сами по себе квантовые взаимодействия мгновенны

                                            Нет такого понятия как «квантовое взаимодействие» — нет ни объекта взаимодействия, ни переносчика. Скажем, в электромагнитном взаимодействии переносчиком является фотон. А в «квантовом»? Кроме того, СТО запрещает взаимодействие быстрее скорости света.
                                              0
                                              СТО запрещает взаимодействие быстрее скорости света только для локальных объектов, квантово же запутанные объекты взаимно нелокальны, т.е они не подпадают под сферу действия данного постулата СТО))
                                                0
                                                Важная часть моего сообщения: не существует понятия «квантового взаимодействия».
                                                Кроме того, волновая функция, даже будучи нелокальной, подчиняется всем постулатам СТО.
                                                  0
                                                  Да, вне всякого сомнения. Немножко неправильно выразил мысль.
                                                    0
                                                    «волновая функция, даже будучи нелокальной, подчиняется всем постулатам СТО».
                                                    Что как раз подтверждает мою идею о том, что квантово-классический дуализм так же реален, как и корпускулярно-волновой))
                                                      0
                                                      Почему же? СТО не имеет обязательного отношения к классическому миру.
                                                        0
                                                        Хорошо. Однако классический мир явно имеет хоть какое-то отношение к квантовому миру?) В частности, постоянный ток в сверхпроводнике возникает на основе классического электромагнитного воздействия источника ЭДС. В том числе и при переходе образца в сверхпроводящее состояние в постоянном магнитном поле, т.к «стартовая» ЭДС возникает просто по причине параметрического квантово-механического процесса в присутствии постоянного магнитного поля...)) Думаю, что в природе все запутано намного сложнее, чем мы можем себе представить) Очень интересно)
                                                          +1
                                                          Однако классический мир явно имеет хоть какое-то отношение к квантовому миру?)
                                                          Классического мира не существует. Он возникает как приближение, когда мы смотрим на предметы издалека (в больших масштабах) и опускаем детали их поведения.

                                                            0
                                                            Сверхпроводимость — макроскопическое квантовое явление)) Если мы посмотрим на сверхпроводимость издалека, то она не станет классическим явлением))
                                                              0
                                                              Ну да, есть явления, которые нельзя описать классическим языком. Это все только подтверждает мои слова: классический мир — условность, используемая нами для удобства обсуждения некоторых явлений.
                                                  0
                                                  «после запутывания не имеет смысла говорить об одной частице». Да, не имеет, однако мы всегда можем повлиять на вторую половину квантово-запутанной системы с помощью первой половины, к которой у нас имеется непосредственный доступ))
                                                    0
                                                    Нет, это не так. Если у вас состояние спина запутанных частиц
                                                    |частица 1, частица 2> = |вверх, вниз> + |вниз, вверх>
                                                    вы можете взять одну часть |вверх, вниз> и повлиять на нее, при этом на вторую часть влияния не окажется. Однако, когда вы произведете измерение, и распутаете частицы, вы получите обе частицы в измененном состоянии. Именно поэтому вы не можете, скажем, передать никакой информации с помощью запутанности (без классического канала).
                                                      0
                                                      «когда вы произведете измерение, и распутаете частицы, вы получите обе частицы в измененном состоянии». Спасибо за разъяснение. В принципе, именно это я и имел в виду. Мы не можем узнать состояние квантовой системы не произведя измерение, но произведя локальное измерение мы нелокально изменяем состояние квантово-запутанной системы. Отсюда вытекает важный вывод, что несмотря на нелокальность квантово-запутанной системы, мы все же можем изменять ее состояние с помощью локальных методов)) Получается, что надкусив яблоко с одной стороны, мы сразу же получаем целиком надкусанное яблоко))
                                                        0
                                                        Отсюда вытекает важный вывод, что несмотря на нелокальность квантово-запутанной системы, мы все же можем изменять ее состояние с помощью локальных методов))

                                                        Да, на этом и основан метод, описанный в статье.
                                                          0
                                                          Это я сразу понял!))
                                                +2

                                                Круты!


                                                Пара отвлеченных вопросов. Прежде всего, напрашивается идея для подстройки фазы использовать волоконный резонатор. Он длинный, может лежать себе спокойно в термостате, а длину его можно активно стабилизировать на другой длине волны.


                                                Второй вопрос философский: как представить себе это частотно-сжатое состояние? ;) У меня не получается вообразить, что оно вращается с частотой, ибо тогда у него должна быть какая-то необычная временная зависимость. То же самое с обычным сжатием и частотно-зависимым детектором: если его фаза меняется в диапазоне 1-1000 Гц, то там что-то должно двигаться в таком же диапазоне частот.


                                                (А вообще проблема как никогда актуальна для нынешнего квантмеха: "заткнись и считай" работает гораздо лучше, чем попытки все это себе представить.)

                                                  +1
                                                  Спасибо:)
                                                  Прежде всего, напрашивается идея для подстройки фазы использовать волоконный резонатор.

                                                  Думаю, не получится: потери великоваты. Ширина полосы резонатора должна быть в районе 10-30Гц. Соответственно, это больше сотни ppm за round trip уже критично.

                                                  Второй вопрос философский: как представить себе это частотно-сжатое состояние?

                                                  Ну смотри, я думаю это правильно так делать. Во-первых, каждая частота в спектре по сути является отдельной модой, не зависящей от других частот. Во-вторых, на этой частоте мы видим сжатие, т.к. детектируем два поля на частотах omega_0\pm\Omega, которые кореллированы по амплитуде: при детектировании мы либо складываем их (получаем разжатие по амплитудной квадратуре), либо вычитаем (получаем сжатие по фазовой квадратуре). Частотная зависимость в такой картинке это просто действие фильтра на каждую из этих мод по отдельности. Строго говоря, фильтрующий резонатор просто вносит фазовый сдвиг между двумя компонентами на omega_0\pm\Omega.
                                                  То же самое с обычным сжатием и частотно-зависимым детектором: если его фаза меняется в диапазоне 1-1000 Гц, то там что-то должно двигаться в таком же диапазоне частот.

                                                  Это еще проще: там двигаются зеркала детектора. Они создают так называемое пондемоторное сжатие даже без обычного сжатия на входе. Это сжатие не в той же квадратуре, что сигнал, так что оно портит чувствительность. Но в других оптомеханических экспериментах оно вполне может помочь сделать настоящий сжатый свет.
                                                  +1
                                                  Дробовой шум, дробовой шум.

                                                  Интересно, какая эквивалентная площадь детектора LIGO? Если, от балды, взять 1 мм на 4 км, то для GW150914 в этот телесный угол на фазе спирального сближения с частотами 10...100 Гц будет гипотетически попадать 1014… 3*1016 гипотетических гравитонов с гипотетической энергией hν в секунду. Поэтому их дробовой шум заметить нет никакой возможности (при выборке 1 кГц дробовой шум будет 3*10-6… 2*10-7).

                                                  Но, быть может, я завышаю эквивалентную площадь?
                                                    +2
                                                    На всякий случай, просто чтобы уточнить: в статье речь, конечно, о дробовом шуме фотонов лазер.

                                                    Что касается гравитонов — хороший вопрос. Во-первых, не очень понятен смысл дробового шума для детектора: ведь длина волны гравитонов много больше длины плеча детектора. Поэтому собственно «дробового» шума не получается.

                                                    Во-вторых, я не очень понимаю, что в таком случае будет эквивалентной площадью детектора: раз гравитон «размазан» по плоскости, перпендикулярной направлению движения, кажется, что надо брать длину детектора на «толщину» детектора, а это будет примерно размером зеркал (т.е. пару десятков см). Учитывая, что поток на частотах около 100Гц где-то в районе 1028 в секунду через квадратный метр, их будет прямо много. Если дробовой шум работает как обычно — как квадратный корень из числа частиц, дисперсия получится около 1014. Учитывая, что лучший SNR, который у нас был, был в районе пары десятков, и даже в будущих детекторах это в лучшем случае будет в пределах тысяч, такой дробовой шум не регистрируем.

                                                    В-третьих, все-таки у нас ГВ от слияний совсем не когерентны, так что строго говоря там скорее будет какой-то тепловой шум.
                                                      0
                                                      Михаил, Вы тут как-то оцениваете число гравитонов в ГВ?
                                                      поток на частотах около 100Гц где-то в районе 1028 в секунду через квадратный метр
                                                        +3
                                                        Ну примерно так: поток энергии гравитонов от грав волны амплитудой h0 = 10-21будет: F = c3f2h02/(16*pi*G) = 80мкДж/(сек*м2).
                                                        Энергия гравитона частотой в f=100 герц E = hf = 6*10-32Дж. Поток гравитонов тогда F/E ~ 1027 (порядок один у меня куда-то делся в прошлом комменте).
                                                        0
                                                        в статье речь, конечно, о дробовом шуме фотонов лазер.
                                                        Да в ней намёк…
                                                        не очень понятен смысл дробового шума для детектора: ведь длина волны гравитонов много больше длины плеча детектора. Поэтому собственно «дробового» шума не получается.
                                                        Дробовой шум, по определению, результат статистически независимых событий взаимодействия квантов, в данном случае квантов гравитационного взаимодействия (энергии и импульса), с прибором (антенной). Так что, по всей видимости, если гравитационное взаимодействие квантуется, то он должен быть.
                                                        все-таки у нас ГВ от слияний совсем не когерентны, так что строго говоря там скорее будет какой-то тепловой шум.
                                                        Когерентность для дробового шума не требуется, например, при наблюдениях звёзд фотонный шум сплошь и рядом.
                                                        поток энергии гравитонов от грав волны амплитудой h0 = 10-21 http://www.tapir.caltech.edu/~teviet/Waves/gwave_details.html: F = c3f2h02/(16*pi*G) = 80мкДж/(сек*м2).
                                                        Здесь не очень понятно в части «f2». Формула в источнике:
                                                        image
                                                        Из производной должно же выпасть (2*pi*fr)2? Не суть. Собственно неважно сколько квантов прилетает, важно ж сколько их «поглощается» антенной.
                                                        Энергия гравитона частотой в f=100 герц E = hf = 6*10-32Дж.
                                                        Есть такая гипотеза, но может быть, как много больше, так и много меньше, или даже вообще 0.
                                                        Учитывая, что поток на частотах около 100Гц где-то в районе 1028 в секунду через квадратный метр, их будет прямо много. Если дробовой шум работает как обычно — как квадратный корень из числа частиц, дисперсия получится около 1014. Учитывая, что лучший SNR, который у нас был, был в районе пары десятков, и даже в будущих детекторах это в лучшем случае будет в пределах тысяч, такой дробовой шум не регистрируем.
                                                        Как бы всё не так плохо:
                                                        1. Частота дискретизации не 1 Гц же;
                                                        2. Дробовой шум на уровне 10-14, получится, если антена «поглотит» энергию всех 1028 квантов без исключения, но доля энергии и импульса которую получит «антена» от гравитационной волны, как я понимаю, очень небольшая же.

                                                        Наверное, задача непростая, сразу не понятно сколько энергии или импульса гравитационного поля уходит для воздействия на один фотон интерферометра, т.е. как сии дробовые шумы будут «складываться».
                                                          0
                                                          Из производной должно же выпасть (2*pi*fr)2
                                                          Точно, вот он мой порядок потерянный:)
                                                          Собственно неважно сколько квантов прилетает, важно ж сколько их «поглощается» антенной.
                                                          Вообще говоря, они не поглощаются вовсе по большей части:
                                                          Our results show that to an excellent approximation, conventional laser interferometergravitational wave detectors with balanced sidebands can be treated as lossless parametric transducers in which the energy absorption from gravitational waves is zero.

                                                          Поэтому я считал исходя из случайного распределения гравитонов в самом сигнале, т.к. это число линейно переходит в сигнал интерферометра.

                                                          Есть такая гипотеза, но может быть, как много больше, так и много меньше, или даже вообще 0.
                                                          Ну ноль было бы странно — откуда-то все таки энергия в ГВ берется. А так да, я почти уверен, что формула будет не такая — все таки в ОТО энергия ГВ нелокальна, было бы странно, если бы могли так просто определить локальную энергию для гравитона.
                                                            0
                                                            Вообще говоря, они не поглощаются вовсе по большей части:
                                                            Our results show that to an excellent approximation, conventional laser interferometergravitational wave detectors with balanced sidebands can be treated as lossless parametric transducers in which the energy absorption from gravitational waves is zero.
                                                            Так и я об том же. Если формулы пропустить и взглянуть на диаграмму для интерферометров типа LIGO при h ∼ 10−23, т.е. при потоке 10−7 Дж/с*м2, интерферометр будет поглощать 10−30 Дж/с.

                                                            Как бы, если у нас гравитационная энергия квантуется порциями 6*10−32 Дж, то интерферометр будет поглощать 20 квантов/с.

                                                            Дьявол в деталях, но, вроде бы, поглощаемая мощность, которая уходит на вибрацию тестовых масс, тоже пропорциональна h2, т.е. для нынешних h ∼ 10−21 вероятно поглощение 105 квантов/с.
                                                            Поэтому я считал исходя из случайного распределения гравитонов в самом сигнале, т.к. это число линейно переходит в сигнал интерферометра.
                                                            На мой взгляд, это достаточно сложно объяснить, почему они все вместе влияют на антенну, но, при этом, поглощается только небольшая часть.
                                                            Ну ноль было бы странно — откуда-то все таки энергия в ГВ берется
                                                            Почему нет? Если гравитационное поле не квантуется, то измерения энергии кванта даст 0. Ну а факт, что мы не видим ГВ излучения атомов в основном состоянии, может иметь иное объяснение.
                                                            А так да, я почти уверен, что формула будет не такая
                                                            Так и хочется понять как измерить ответ этой формулы и когда получится получить его оценку.
                                                              0
                                                              Так и я об том же. Если формулы пропустить и взглянуть на диаграмму для интерферометров типа LIGO при h ∼ 10−23, т.е. при потоке 10−7 Дж/с*м2, интерферометр будет поглощать 10−30 Дж/с.

                                                              Они пишут 10-40. Речь о том, что сигнал, который мы видим, происходит не от поглощенных гравитонов, а сигнал от поглощенных на 15 порядков меньше. И даже тот сигнал, который мы видим, имеет SNR пару десятков, так что нет никакого шанса увидеть сигнал от поглощенных квантов.
                                                              На мой взгляд, это достаточно сложно объяснить, почему они все вместе влияют на антенну, но, при этом, поглощается только небольшая часть.

                                                              Почему сложно? Как бы идеальный параметрический передатчик так и работает. Энергия из основной частоты перераспределяется в две симметричных боковых полосы под действием ГВ. Квант гравитации поглощается и переизлучается.

                                                              Почему нет? Если гравитационное поле не квантуется, то измерения энергии кванта даст 0. Ну а факт, что мы не видим ГВ излучения атомов в основном состоянии, может иметь иное объяснение.
                                                              А, ну если не квантуется, то конечно.
                                                              Так и хочется понять как измерить ответ этой формулы и когда получится получить его оценку.
                                                              Тут уж, думается, сильно зависит от конкретной теории квантовой гравитации.

                                                              Кстати, вот есть пара статей как раз про роль квантования гравитации для детектора: вот и вот.
                                                                0
                                                                Они пишут 10-40. Речь о том, что сигнал, который мы видим, происходит не от поглощенных гравитонов,
                                                                Вроде как они пишут, что 10-40, который рассчитал Saulson, это малый член. А детектор рассматривают как усилитель поглощённой мощности.
                                                                We will begin our analysis with a quantum analysis of the Doppler friction effect which arises from the frequency change of photons on reflection from a moving mirror. This was first discussed by Einstein in a thought experiment [6] and then rediscovered by Braginsky etl.al [7] and Saulson [8]. Saulson showed that this effect indeed provides a viscous coupling to gravitational waves. While it is like the friction between Feynman’s sticks, the effect is small because it is a second order relativistic effect (∼ (v/c)2, in which v is the speed of test mass motion and c is the speed of light. In this paper, we derive this friction from a quantum mechanical viewpoint, and give a classical derivation in the Appendix A. For a typical predicted wave and a LIGO-like interferometer, Saulson showed that the power absorbed is ∼ 10−40W. If the primary gravitational wave signal was provided by this mechanism, the detector would need to have power gain that scales as the square of the ratio of optical frequency to gravitational wave frequency. However, we show here that the Doppler friction is not the primary signal source but a small and generally negligible additional term that can also be interpreted as a result of unbalanced Stokes and anti-Stokes sidebands. Our analysis of a toy model reveals that the power gain of the detector follows the usual form for parametric transducers, scaling linearly with the frequency ratio.

                                                                Тут уж, думается, сильно зависит от конкретной теории квантовой гравитации.
                                                                Исторически сначала измерили броуновское движение или фотоэффект, и уж потом вывели формулы. Так что, в формулы, до измерения величины кванта гравитационного поля тем или иным способом, лично мне не верится.
                                                                Кстати, вот есть пара статей как раз про роль квантования гравитации для детектора: вот и вот.
                                                                Спасибо, надо прочитать, что пишут умные люди.
                                                                  0
                                                                  Вроде как они пишут, что 10-40, который рассчитал Saulson, это малый член. А детектор рассматривают как усилитель поглощённой мощности.
                                                                  Нет, это как раз все, что поглотилось, и оно не усиливается.
                                                                  From this analysis it is clear that the sideband power is not amplified Doppler friction power as previous analysis suggested

                                                                  То есть, сигнал это не результат поглощения, а исключительно parametric transducer — энергия ГВ не переходит в энергию света.
                                                                  Исторически сначала измерили броуновское движение или фотоэффект, и уж потом вывели формулы. Так что, в формулы, до измерения величины кванта гравитационного поля тем или иным способом, лично мне не верится.

                                                                  Я не думаю, что кто-либо когда-либо измерит один квант гравитации, честно говоря… Можно надеяться только на какие-то коллективные эффекты.

                                                                  Спасибо, надо прочитать, что пишут умные люди.

                                                                  Кстати, если есть конкретные вопросы — могу спросить, мы с Ченом как раз статью сейчас заканчиваем. Я-то сам в ОТО все таки совсем профан…
                                                                    0
                                                                    Они и не пишут, что поглощённая энергия переходит в энергию света, они пишут за «vibration energy of the test masses» и она получается у них до ~10-30. Впрочем, перечитаю ещё раз с калькулятором.

                                                                    Дробовой шум, тоже коллективный эффект ;)
                                                                      0
                                                                      Они и не пишут, что поглощённая энергия переходит в энергию света, они пишут за «vibration energy of the test masses».
                                                                      Ну она-то переходит в энергию света. Картинка рассеяния Fig.1 про это же.
                                                                      Вот давайте еще посмотрим:
                                                                      there is no net energy transferbetween the mirror and the optical field when a free propagating laser field is modulated by mirror motion.

                                                                      Если зеркала без потерь, то в свою очередь нет причины, почему бы ГВ тратила энергию на смещение его: работа-то никакая не выполняется. Так что нет обмена в среднем на всех шагах.
                                                                        0
                                                                        Тем не менее они приходят к формуле энергии вибрации тестовых масс (24) и результирующей диаграмме (fig 7) с немаленькими значениям поглощаемой мощности интерферометра типа LIGO.
                                                                        The average absorbed power, derived from Eq.22 is shown in Fig.7 for a sinusoidal gravitational wave of amplitude 10−23 in a typical advanced interferometer. From this, we can see that when the gravitational wave frequency is resonant with the mechanical resonant frequency of the mass-spring system, the absorbed power is much higher. It can be 1015 times higher than the Doppler friction power.
                                                                          0
                                                                          Но это же в другой конфигурации! Там резонаторы отстроены от резонанса и возникает т.н. оптическая жесткость — по сути оптическое трение. Там, конечно, поглощается. Только это не режим, в котором работают современные детекторы.
                                                                      0
                                                                      P.S.
                                                                      Оценка может звучать типа такого: «вот товарищи рассчитали, что энергия вибрации тестовых масс должна быть такой, измерения LIGO/Virgo по измерению вибрации тестовых масс интерферометрическим методом имеют вот такие шумы, дробовых шумов самих вибраций на таком-то уровне не замечено, стало быть квант передачи энергии ГВ к тестовым массам не превышает такой-то величины».

                                                                      Для уровня сигнала h ~ 10-22 есть шанс показать, что оценка hv неверна.
                                                                        0
                                                                        Да, наверное, можно и так. Вот, кстати, любопытная статья, хотя и несколько странная.
                                                              0
                                                              Вроде как эксперимент LIGO не заключается в «поглощении энергии» антенной. Я не уверен в том, что можно говорить о «затратах энергии ГВ» на изменение метрики в плечах интерферометра.
                                                              Но, с другой точки зрения, косвенное подтверждение ГВ через затраты на излучение энергии (потеря кин. энергии парой пульсаров вроде PSR B1913+16, подтверждена расчетами для PSR J0737−3039) вроде как было давно.
                                                                0
                                                                Да, ГВ не тратят энергию на смещение свободной массы, каковые и есть зеркала в LIGO. Несвободная масса — как пульсар, например, конечно, излучает энергию, которая тратится при сближении масс.
                                                                  0
                                                                  Ну не знаю, что такое «свободная масса»? Скажем, ЧД, по крайней мере, на фазе спирального сближения, явно более «свободны» чем зеркала LIGO, так как движутся почти по геодезическим. А ведь излучают заразы.
                                                                    0
                                                                    Ну не знаю, что такое «свободная масса»?
                                                                    Ну это вот из закона Ньютона. На нее приблизительно не действуют никакие силы (в направлении движения). А потом зеркала в LIGO отлично излучают. Один гравитон поглотили — один излучили.
                                                                  0
                                                                  Вроде как эксперимент LIGO не заключается в «поглощении энергии» антенной. Я не уверен в том, что можно говорить о «затратах энергии ГВ» на изменение метрики в плечах интерферометра.
                                                                  На мой непросвещённый взгляд, получение информации без энергетического обмена — путь к вечному двигателю второго рода.
                                                                    0
                                                                    Энергетический обмен есть, а поглощения — нет. ГВ перераспределяет энергию между частотами света, при этом сохраняя полную энергию.
                                                                      0
                                                                      Энергетический обмен есть, а поглощения — нет.
                                                                      Можно такую аналогию привести? Тело перемещается по поверхности тратит энергию на трение, элм. волна распространяется через среду, рассеивается на частицах среды, и ее энергия переходит в тепловое движение этих частиц. А ГВ не на чем не рассеивается, не «трется», и не тратит энергию, т.к. нет среды в кот. она распространяется. Она и есть среда — пр-вр. континуум, меняется только его метрика, и это отражается на параметрах детектора.
                                                                        0
                                                                        Ну да, в целом так и есть.

                                                                        Можно пример с ЭМ волной привести: например, мы светим светом на атом, возбуждаем электронный переход, электрон потом переизлучает поглощенный фотон, и в результате мы получили ЭМ волну на выходе с задержкой. ЭМ волна не поглотилась, энергия сохранилась, а видимый эффект появился.
                                                            +1
                                                            Более того, если на одну из частиц подействовать, например какой-то силой, вторая частица тоже «почувствует» эту силу — ее измеренные параметры изменятся соответственно.

                                                            Мне кажется тут вы перемудрили. Если бы можно было, грубо говоря, пнуть одну запутанную частицу и зафиксировать полученный импульс у запутанной с нею, то величиной полученного импульса можно было бы кодировать информацию, т.е. получить сверхсветовую связь. Однако «дальнодействие» квантовой запутанности, как известно, не позволяет передавать информацию. Воздействие на одну из спутанных частиц должно лишь привести к декогеренции, «распутыванию» частиц. Мы даже знаем, что и без воздействия на частицы всё равно рано или поздно произойдёт спонтанная декогеренция из-за градиента гравитации за конечное время, из-за различной скорости течения времени у спутанных частиц в этом градиенте.
                                                            И поскольку квантовые эффекты принципиально статистичны, мы не можем гарантировать в единичном измерении что измерили характеристики действительно спутанной частицы, а не тождественной ей другой (которых кишмя кишит даже в вакууме), а в множестве экспериментов со спутанными частицами мы всё равно получим выполнение неопределённости Гейзенберга.
                                                              +1
                                                              Если бы можно было, грубо говоря, пнуть одну запутанную частицу и зафиксировать полученный импульс у запутанной с нею, то по величиной полученного импульса можно было бы кодировать информацию, т.е. получить сверхсветовую связь.

                                                              Это правда, но только если нет доступа ко второму измерению. Тут самая суть в том, что вам нужно использовать оба детектора. Зато по результатам двух измерений вы можете узнать этот пинок с точностью выше неопределенности Гейзенберга (и в принципе с неограниченной точностью).
                                                              Воздействие на одну из спутанных частиц должно лишь привести к декогеренции, «распутыванию» частиц.

                                                              Нет, если это унитарное взаимодействие, запутанность сохраняется. Только измерения распутывают частицы.
                                                              Мы даже знаем, что и без воздействия на частицы всё равно рано или поздно произойдёт спонтанная декогеренция из-за градиента гравитации, приводящего с различной скорости течения времени у спутанных частиц.
                                                              Это кстати совсем не факт.
                                                              а в множестве экспериментов со спутанными частицами мы всё равно получим выполнение неопределённости Гейзенберга.

                                                              Нет, и в этом суть парадокса ЭПР: вы можете статистически точно знать относительное положение и импульс двух частиц. Если вы наблюдаете координату x1+x2 и импульс p1-p2, эти наблюдаемые коммутируют, а значит соотношение неопределенности для них равно нулю.

                                                              Вот почитайте, есть т.н. Quantum Dense metrology (arxiv), использует именно эту идею, в нашей группе как раз делали эксперименты (еще до меня, правда).
                                                                0
                                                                Зато по результатам двух измерений вы можете узнать этот пинок с точностью выше неопределенности Гейзенберга

                                                                Мне как бы вообще не очевидно откуда берётся перенос воздействия на первую частицу на вторую частицу, я никогда ранее ни о чём таком не слышал даже, выглядит фантастикой, так как квантовая запутанность заключается в том, что обе запутанные частицы описываются одним волновым уравнением, что, со всей очевидностью, не может выполняться после воздействия на первую частицу, т.к. изменит её волновую функцию, привет декогеренция.
                                                                в этом суть парадокса ЭПР: вы можете статистически точно знать относительное положение и импульс двух частиц

                                                                Но ведь
                                                                при попытке косвенного определения точных значений одновременно импульса и координаты электрона в случае рождения электрон-позитронной пары, измерив точно импульс позитрона, при измерении «точной» координаты электрона мы не сможем сказать, тот ли это электрон или «другой» электрон измерительного прибора, что внесёт в наш эксперимент неопределённость в соответствии с принципом неопределённости

                                                                принцип тождественности не даст нам уверенности в полученных данных?
                                                                  +3
                                                                  не может выполняться после воздействия на первую частицу, т.к. изменит её волновую функцию, привет декогеренция.

                                                                  вы не можете подействовать на первую частицу отдельно, после из запутывания понятие отдельной частицы больше не существует. Вы можете подействовать на одну или другую часть волновой функции. Например, у вас частицы разлетаются налево и направо.
                                                                  ВФ этих частиц: |частица 1, частица 2> = |лево, право> + |право, лево>
                                                                  Другими словами, налево летит некоторая комбинация частиц, и направо — тоже. Поэтому когда вы слева ставите какое-нибудь воздействие, например, меняете фазу, оно действует сразу на две частицы. При этом коллапса при взаимодействии не происходит, так как это воздействие унитарно.
                                                                  Но ведь

                                                                  цитата далее говорит об абсолютном измерения. Когда вы производите относительное измерение, таких ограничений нет. Более того, это какое-то очень странное понимание принципа неопределенности, откуда оно взялось? Принцип тождественности в общем не играет роли в соотношении неопределенности.
                                                                    +1
                                                                    Спасибо что не отмахиваетесь, а продолжаете разъяснять!
                                                                    Когда вы производите относительное измерение, таких ограничений нет.

                                                                    Как всё сложно! :) Что такое относительное измерение?
                                                                    коллапса при взаимодействии не происходит, так как это воздействие унитарно

                                                                    Можно в двух словах, что такое унитарные воздействия?
                                                                      0
                                                                      Как всё сложно! :) Что такое относительное измерение?

                                                                      Это измерение расстояние между двумя частицами. Вы меряете не абсолютное положение частиц, а только расстояние между ними. И соответственно скорость одной частицы относительно другой. При этом их абсолютное положение остается неизвестным — но оно и не нужно в данном случае.
                                                                      Условно так: вы хотите измерить сигнал — смещение зеркала под действием силы, например. Изначально у зеркала есть случайное положение и импульс, которые мешают измерению:
                                                                      X = X0 + Xсигнал, P = P0 + Pсигнал
                                                                      Если эксперимент повторять много раз, ошибка за счет соотношения неопределенности будет
                                                                      ∆Xсигнал = ∆X0; ∆Pсигнал = ∆P0; ∆X0∆P0 = hbar/2

                                                                      Теперь положим у вас две массы. Тогда после действия силы вы можете измерить изменение расстояния между ними: X = X01 + X02+Xсигнал, P = P01 — P02 +Pсигнал
                                                                      Если эти массы запутанны, их начальные условия случайны, но кореллированы: X01 = -X02, P01 = P02, что дает нам точно X = Xсигнал; P = Pсигнал. Вне зависимости от начальных условий мы получаем точное измерение сигнала в координате и импульсе.

                                                                      Можно в двух словах, что такое унитарные воздействия?
                                                                      В данном контексте это будет любая операция, которая не разрушает состояние. Например, это сдвиг фазы. В принципе в квантах бывает два типа эволюции системы: унитарная — под действием законов физики (гамильтониана системы), согласно уравнению Шредингера, и декогеренция — при взаимодействии с окружением (например, коллапс ВФ при измерении). Замкнутая система всегда будет эволюционировать унитарно. Незамкнутая система в какой-то момент декогерирует. Измерения — пример незамкнутой системы.
                                                                        0
                                                                        операция, которая не разрушает состояние. Например, это сдвиг фазы

                                                                        Фух, осталось понять, почему сдвиг фазы (который происходит, как я понимаю, при взаимодействии с другими частицами == взаимодействии с окружением) не разрушает суперпозицию.
                                                                        Замкнутая система всегда будет эволюционировать унитарно

                                                                        Вселенная в целом — замкнутая система? :) Истинно замкнутых систем в классическом понимании вроде бы нет, всегда есть как минимум вездесущая гравитация…
                                                                          0
                                                                          Фух, осталось понять, почему сдвиг фазы (который происходит, как я понимаю, при взаимодействии с другими частицами) не разрушает суперпозицию.
                                                                          Ну а почему бы вдруг нарушал? Смотрите на это с такой точки зрения: любые обратимые взаимодействия не разрушают суперпозицию. Если вы можете сделать операцию, а потом повторить ее еще раз в обратную сторону — все ок, ничего не разрушилось. С измерением такое не получится, так как, например, фотон на фотодетекторе поглощается, и производит много-много электронов. Обратить этот процесс никак не получится. Поэтому он разрушает суперпозицию.

                                                                          Вселенная в целом — замкнутая система? :)
                                                                          Да, поэтому в многомировой интерпретации, например, Вселенная целиком эволюционирует унитарно, согласно уравнению Шредингера.
                                                                          Истинно замкнутых систем в классическом понимании вроде бы нет, всегда есть как минимум вездесущая гравитация…

                                                                          Тут сложный вопрос. Во-первых, гравитация обычно слишком слаба, чтобы иметь сколь-либо значимый эффект на микроскопические частицы и вызвать декогеренцию, так что обычно ей можно пренебречь. Во-вторых, замкнутых систем вообще не бывает. Есть только приблизительно замкнутые: на заданных временных отрезках взаимодействием с окружающим миром мало. Для микроскопических объектов это просто реализовать, поэтому мы можем готовить частицы в неклассических состояниях. Для больших объектов это очень сложно, поэтому мы с большим трудом можем приготовить квантовое состояние большого зеркала, например. А если и можем, оно распадается (декогерирует) очень быстро.
                                                                            0
                                                                            Смотрите на это с такой точки зрения: любые обратимые взаимодействия не разрушают суперпозицию.

                                                                            Я смотрел ранее на этот вопрос так: если взаимодействие изменяет волновую функцию, то происходит коллапс, суперпозиция разрушается. Сейчас я так понимаю, что не всякое изменение волновой функции (взаимодействие) приводит к коллапсу, декогеренции. Грубо говоря, сменить всего лишь знак с плюса на минус в функции можно.
                                                                            фотон на фотодетекторе поглощается, и производит много-много электронов. Обратить этот процесс никак не получится. Поэтому он разрушает суперпозицию

                                                                            Когда мы измеряем спин у одной частицы, квантово спутанной с другой, процесс необратим и происходит декогеренция, однако состояние (спин) второй частицы не становится случайным, как будто коллапс происходит после взаимодействия (измерения). Интересно, можно ли как-то хитро, например как через слабые измерения (да-да, я в курсе что они не применимы для одиночных частиц), пронаблюдать за коллапсом у спутанной частицы.
                                                                              0
                                                                              Сейчас я так понимаю, что не всякое изменение волновой функции (взаимодействие) приводит к коллапсу, декогеренции.
                                                                              Абсолютно верно!
                                                                              пронаблюдать за коллапсом у спутанной частицы.
                                                                              Тут такое дело… На самом деле «коллапс» это условность нашего языка, и заодно главный камень преткновения всех интерпретаций квантовой механики. Коллапс ВФ вводится в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, но там он просто постулируется как правила вероятностей при наблюдении системы, без какого-либо физического механизма. Этот коллапс там происходит мгновенно, так что пронаблюдать за ним в динамике не получится. Но довольно очевидно, что копенгагенская интерпретация совершенно неверна и нефизична. При измерении происходит что-то другое, что дает нам те же результаты измерений, но обладает неким физическим смыслом. Моя любимая интерпретация — многомировая. Она самая простая и логичная. Но есть много других вариантов.

                                                                              Это я отвлекся. С другой стороны можно, например увидеть запутанность целиком, как писали выше: тут новость.

                                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                            Самое читаемое