В журнале Optica опубликована работа ученых Массачусетского технологического института и Университета Юты, в которой впервые продемонстрировано лазерное охлаждение сантиметрового крутильного осциллятора, прибора, чувствительного к гравитации. Этот эксперимент открывает путь к лабораторному тестированию квантовой природы гравитационного взаимодействия — одного из последних нерешенных вопросов в современной физике.
Гравитация до сих пор остается единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого не существует общепринятой квантовой теории. Теоретики предлагали различные варианты — от классического происхождения до полной квантовой природы. Но отсутствие способа провести эксперимент не позволяло ни подтвердить, ни опровергнуть гипотезы. Новый подход ученых может изменить ситуацию.
Ведущий автор статьи, Дончель Шин, стипендиат MathWorks и исследователь МТИ, объясняет: чтобы проверить, как гравитация взаимодействует с квантовыми системами, нужно создать прибор, одновременно чувствительный к гравитации и достаточно «тихий», то есть с минимальными тепловыми и механическими шумами. Команда применила технику лазерного охлаждения, давно известную в атомной физике, к более крупной механической системе — крутильному маятнику.
Такой маятник, способный измерять слабые силы через вращение подвешенного тела, применялся в гравитационных экспериментах со времен Кавендиша. В новом опыте с помощью лазеров удалось охладить осциллятор до температуры 10 милликельвинов — это в сто раз холоднее, чем температура жидкого гелия.
Ключ к точности измерений — оптический рычаг. Лазерный луч направляется на зеркало и регистрирует малейшие угловые колебания. Чтобы устранить шум, вызванный дрожанием самого лазера, ученые использовали две версии луча, одна из которых «отменяет» искажения другой. Это позволило уменьшить шум в тысячу раз и получить данные с точностью выше, чем квантовые флуктуации системы.
Хотя квантовое основное состояние еще не достигнуто, команда уже готовится к следующим шагам. В будущем исследователи хотят использовать более сложные оптические схемы, чтобы усиливать сигналы и устранять остаточные шумы. В идеале — соединить два таких осциллятора, чтобы наблюдать их взаимодействие исключительно через гравитацию. Если это удастся, ученые смогут впервые в истории напрямую протестировать квантовую природу гравитации.
В то время как одни ученые пытаются понять, квантовая ли гравитация, другие уже ищут способы сделать сами кубиты более устойчивыми и «подвижными» в реальных квантовых устройствах. Как именно они это делают — узнайте в этой статье.