23 de octubre de 2023 (Noticias de Nanowerk) En 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, o LIGO, hizo historia cuando realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales, u ondulaciones en el espacio y el tiempo, producidas por un par de agujeros negros en colisión. Desde entonces, LIGO, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), y su detector hermano en Europa, Virgo, han detectado ondas gravitacionales de docenas de fusiones entre agujeros negros, así como de colisiones entre una clase relacionada de remanentes estelares llamadas estrellas de neutrones. En el corazón del éxito de LIGO está su capacidad para medir el estiramiento y la contracción del tejido del espacio-tiempo en escalas 10 mil billones de veces más pequeñas que un cabello humano. Por incomprensiblemente pequeñas que sean estas mediciones, la precisión de LIGO ha seguido estando limitada por las leyes de la física cuántica. A escalas subatómicas muy pequeñas, el espacio vacío se llena con un leve crujido de ruido cuántico, que interfiere con las mediciones de LIGO y restringe la sensibilidad que puede ser el observatorio.

Puntos clave

LIGO realizó su primera detección directa histórica de ondas gravitacionales en 2015 y desde entonces, junto con su homólogo europeo Virgo, ha detectado numerosas fusiones de agujeros negros y colisiones de estrellas de neutrones.

El ruido cuántico ha sido un factor limitante en las mediciones de LIGO, restringiendo su sensibilidad debido a la imprevisibilidad de la física cuántica a escalas subatómicas.

Los investigadores de LIGO han introducido una nueva tecnología cuántica llamada "compresión dependiente de la frecuencia" que evita esta limitación, permitiendo mediciones en toda la gama de frecuencias gravitacionales detectables de LIGO.

Se espera que la implementación de esta nueva tecnología, operativa desde mayo, aumente las detecciones en aproximadamente un 60%, mejorando las capacidades de LIGO para estudiar eventos cósmicos que afectan el espacio-tiempo.

Este avance cuántico no sólo avanza en la detección de ondas gravitacionales, sino que también tiene potencial para futuras tecnologías cuánticas y experimentos de física fundamental.

La investigación

Ahora, escribiendo en el diario Revisión física X (“Broadband Quantum Enhancement of the LIGO detectors with Frequency-dependent Squeezing”), los investigadores de LIGO informan de un avance significativo en una tecnología cuántica llamada “squeezing” que les permite sortear este límite y medir ondulaciones en el espacio-tiempo en todo el rango. de frecuencias gravitacionales detectadas por LIGO.

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Esta nueva tecnología de "compresión dependiente de la frecuencia", en funcionamiento en LIGO desde que se volvió a activar en mayo de este año, significa que los detectores ahora pueden explorar un volumen mayor del universo y se espera que detecten aproximadamente un 60 por ciento más de fusiones que antes. . Esto aumenta enormemente la capacidad de LIGO para estudiar los eventos exóticos que sacuden el espacio y el tiempo. "No podemos controlar la naturaleza, pero podemos controlar nuestros detectores", dice Lisa Barsotti, científica investigadora senior del MIT que supervisó el desarrollo de la nueva tecnología LIGO, un proyecto que originalmente involucraba experimentos de investigación en el MIT dirigidos por Matt Evans. profesor de física, y Nergis Mavalvala, profesor de astrofísica Curtis y Kathleen Marble y decano de la Facultad de Ciencias. El esfuerzo ahora incluye a docenas de científicos e ingenieros del MIT, Caltech y los observatorios gemelos LIGO en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana. “Un proyecto de esta escala requiere varias personas, desde instalaciones hasta ingeniería y óptica; básicamente, toda la extensión del Laboratorio LIGO con importantes contribuciones de la Colaboración Científica LIGO. Fue un gran esfuerzo que la pandemia hizo aún más desafiante”, dice Barsotti. "Ahora que hemos superado este límite cuántico, podemos hacer mucha más astronomía", explica Lee McCuller, profesor asistente de física en Caltech y uno de los líderes del nuevo estudio. "LIGO utiliza láseres y grandes espejos para realizar sus observaciones, pero estamos trabajando a un nivel de sensibilidad que significa que el dispositivo se ve afectado por el reino cuántico". Los resultados también tienen ramificaciones para futuras tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas y otras microelectrónicas, así como para experimentos de física fundamental. "Podemos tomar lo que hemos aprendido de LIGO y aplicarlo a problemas que requieren medir distancias a escala subatómica con una precisión increíble", dice McCuller. "Cuando NSF invirtió por primera vez en la construcción de los detectores gemelos LIGO a finales de la década de 1990, estábamos entusiasmados con el potencial de observar ondas gravitacionales", dice el director de NSF, Sethuraman Panchanathan. “Estos detectores no sólo hicieron posibles descubrimientos innovadores, sino que también desencadenaron el diseño y desarrollo de tecnologías novedosas. Esto es verdaderamente un ejemplo del ADN de NSF: exploraciones impulsadas por la curiosidad combinadas con innovaciones inspiradas en el uso. A través de décadas de inversiones continuas y expansión de asociaciones internacionales, LIGO está aún más preparado para promover ricos descubrimientos y progreso tecnológico”. Las leyes de la física cuántica dictan que las partículas, incluidos los fotones, entrarán y saldrán aleatoriamente del espacio vacío, creando un silbido de fondo de ruido cuántico que aporta un nivel de incertidumbre a las mediciones basadas en láser de LIGO. La compresión cuántica, que tiene sus raíces a finales de la década de 1970, es un método para silenciar el ruido cuántico o, más específicamente, para empujar el ruido de un lugar a otro con el objetivo de realizar mediciones más precisas. El término apretar se refiere al hecho de que la luz se puede manipular como un animal globo. Para hacer un perro o una jirafa, se puede pellizcar una sección de un globo largo en una pequeña articulación ubicada con precisión. Pero luego el otro lado del globo se hinchará hasta alcanzar un tamaño mayor y menos preciso. De manera similar, la luz se puede reducir para que sea más precisa en un rasgo, como su frecuencia, pero el resultado es que se vuelve más incierta en otro rasgo, como su poder. Esta imagen de la fuente de luz exprimida fue tomada desde una de las ventanillas de la cámara en un momento en que el exprimidor estaba operativo y bombeaba luz verde. (Imagen: Georgia Mansell/Observatorio LIGO Hanford) Desde 2019, los detectores gemelos de LIGO han estado exprimiendo la luz de tal manera que mejoran su sensibilidad al rango de frecuencia superior de las ondas gravitacionales que detectan. Pero, de la misma manera que apretar un lado de un globo resulta en la expansión del otro lado, apretar la luz tiene un precio. Al hacer que las mediciones de LIGO fueran más precisas en las frecuencias altas, las mediciones se volvieron menos precisas en las frecuencias más bajas. “En algún momento, si aprietas más, no ganarás mucho. Necesitábamos prepararnos para lo que vendría después en nuestra capacidad de detectar ondas gravitacionales”, explica Barsotti. Ahora, las nuevas cavidades ópticas dependientes de la frecuencia de LIGO (tubos largos de aproximadamente tres campos de fútbol) permiten al equipo exprimir la luz de diferentes maneras dependiendo de la frecuencia de las ondas gravitacionales de interés, reduciendo así el ruido en todo el rango de frecuencia de LIGO. "Antes, teníamos que elegir dónde queríamos que LIGO fuera más preciso", dice Rana Adhikari, miembro del equipo LIGO y profesora de física en Caltech. “Ahora podemos comer nuestro pastel y tenerlo también. Hace tiempo que sabemos cómo escribir las ecuaciones para que esto funcione, pero hasta ahora no estaba claro que pudiéramos hacerlo funcionar. Es como ciencia ficción”.

Incertidumbre en el reino cuántico

Cada instalación LIGO está formada por dos brazos de 4 kilómetros de largo conectados en forma de “L”. Los rayos láser viajan por cada brazo, golpean espejos suspendidos gigantes y luego regresan al punto de partida. A medida que las ondas gravitacionales pasan cerca de la Tierra, hacen que los brazos de LIGO se estiren y aprieten, desincronizando los rayos láser. Esto hace que la luz de los dos haces interfiera entre sí de una manera específica, revelando la presencia de ondas gravitacionales. Sin embargo, el ruido cuántico que se esconde dentro de los tubos de vacío que encierran los rayos láser de LIGO puede alterar la sincronización de los fotones en los rayos en cantidades minúsculas. McCuller compara esta incertidumbre en la luz láser con una lata de balines. “Imagínese tirar una lata llena de bolas. Todos caen al suelo y hacen ruido de forma independiente. Las bolas golpean el suelo aleatoriamente y eso crea un ruido. Los fotones de luz son como bolas y golpean los espejos de LIGO en momentos irregulares”, dijo en una entrevista con Caltech. Las tecnologías de compresión que se han implementado desde 2019 hacen que “los fotones lleguen con más regularidad, como si estuvieran tomados de la mano en lugar de viajar de forma independiente”, dijo McCuller. La idea es hacer que la frecuencia, o sincronización, de la luz sea más segura y la amplitud, o potencia, menos segura, como una forma de atenuar los efectos tipo BB de los fotones. Esto se logra con la ayuda de cristales especializados que esencialmente convierten un fotón en un par de dos fotones entrelazados o conectados con menor energía. Los cristales no exprimen directamente la luz de los rayos láser de LIGO; más bien, exprimen la luz parásita en el vacío de los tubos LIGO, y esta luz interactúa con los rayos láser para exprimir indirectamente la luz láser. "La naturaleza cuántica de la luz crea el problema, pero la física cuántica también nos da la solución", afirma Barsotti.

Una idea que comenzó hace décadas

El concepto de exprimirse se remonta a finales de la década de 1970, comenzando con los estudios teóricos del fallecido físico ruso Vladimir Braginsky; Kip Thorne, profesor emérito de Física Teórica Richard P. Feynman en Caltech; y Carlton Caves, profesor emérito de la Universidad de Nuevo México. Los investigadores habían estado pensando en los límites de las mediciones y comunicaciones basadas en lo cuántico, y este trabajo inspiró una de las primeras demostraciones experimentales de compresión en 1986 por H. Jeff Kimble, profesor emérito de física William L. Valentine en Caltech. Kimble comparó la luz exprimida con un pepino; la certeza de que las mediciones de luz son empujadas en una sola dirección, o característica, convirtiendo “coles cuánticas en pepinos cuánticos”, dijo. escribió en un artículo en Caltech Ciencia ingeniera revista en 1993. En 2002, los investigadores comenzaron a pensar en cómo exprimir la luz en los detectores LIGO y, en 2008, se logró la primera demostración experimental de la técnica en las instalaciones de prueba de 40 metros de Caltech. En 2010, los investigadores del MIT desarrollaron un diseño preliminar para un exprimidor LIGO, que probaron en el sitio de LIGO en Hanford. El trabajo paralelo realizado en el detector GEO600 en Alemania también convenció a los investigadores de que apretar funcionaría. Nueve años después, en 2019, después de muchas pruebas y un cuidadoso trabajo en equipo, LIGO comenzó a exprimir la luz por primera vez. “Tuvimos que solucionar muchos problemas”, dice Sheila Dwyer, que ha estado trabajando en el proyecto desde 2008, primero como estudiante de posgrado en el MIT y luego como científica en el Observatorio LIGO Hanford a partir de 2013. “Primero se pensó en apretar a fines de la década de 1970, pero tomó décadas hacerlo bien”.

Demasiado de una cosa buena

Sin embargo, como se señaló anteriormente, apretar tiene una contrapartida. Al sacar el ruido cuántico del tiempo o frecuencia de la luz láser, los investigadores pusieron el ruido en la amplitud o potencia de la luz láser. Los rayos láser más potentes empujan los pesados ​​espejos de LIGO provocando un ruido sordo no deseado correspondiente a frecuencias más bajas de ondas gravitacionales. Estos ruidos enmascaran la capacidad de los detectores para detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia. "Aunque estemos utilizando la compresión para poner orden en nuestro sistema, reduciendo el caos, eso no significa que estemos ganando en todas partes", dice Dhruva Ganapathy, estudiante de posgrado en el MIT y uno de los cuatro coautores principales del nuevo estudio. . "Todavía estamos sujetos a las leyes de la física". Los otros tres autores principales del estudio son el estudiante graduado del MIT Wenxuan Jia, el postdoctorado de LIGO Livingston Masayuki Nakano y la postdoctorada del MIT Victoria Xu. Desafortunadamente, este molesto ruido se convierte en un problema aún mayor cuando el equipo LIGO aumenta la potencia de sus láseres. "Tanto apretar como aumentar la potencia mejoran nuestra precisión de detección cuántica hasta el punto en que nos vemos afectados por la incertidumbre cuántica", dice McCuller. “Ambos provocan un mayor empuje de fotones, lo que provoca el ruido de los espejos. La potencia del láser simplemente agrega más fotones, mientras que al apretarlos se vuelven más grumosos y, por lo tanto, más ruidosos”.

Un ganar-ganar

La solución es exprimir la luz de una manera para las altas frecuencias de ondas gravitacionales y de otra manera para las bajas frecuencias. Es como ir y venir entre apretar un globo desde arriba, desde abajo y desde los lados. Esto se logra mediante la nueva cavidad de compresión dependiente de la frecuencia de LIGO, que controla las fases relativas de las ondas de luz de tal manera que los investigadores pueden mover selectivamente el ruido cuántico a diferentes características de la luz (fase o amplitud) dependiendo del rango de frecuencia de ondas gravitacionales. "Es cierto que estamos haciendo algo cuántico realmente genial, pero la verdadera razón es que es la forma más sencilla de mejorar la sensibilidad de LIGO", dice Ganapathy. “De lo contrario, tendríamos que aumentar el nivel del láser, lo que tiene sus propios problemas, o tendríamos que aumentar mucho el tamaño de los espejos, lo que resultaría caro”. El observatorio asociado de LIGO, Virgo, probablemente también utilizará tecnología de compresión dependiente de la frecuencia dentro del funcionamiento actual, que continuará aproximadamente hasta finales de 2024. Los detectores de ondas gravitacionales más grandes de próxima generación, como el planeado Cosmic Explorer con base en tierra, también aprovecharán los beneficios de la luz comprimida. Con su nueva cavidad de compresión dependiente de la frecuencia, LIGO ahora puede detectar aún más colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Ganapathy dice que lo que más le entusiasma es captar más colisiones de estrellas de neutrones. "Con más detecciones, podremos observar cómo las estrellas de neutrones se destrozan entre sí y aprender más sobre lo que hay en su interior". "Finalmente estamos aprovechando nuestro universo gravitacional", dice Barsotti. “En el futuro podremos mejorar aún más nuestra sensibilidad. Me gustaría ver hasta dónde podemos llevarlo”. El estudio de Physical Review X se titula "Mejora cuántica de banda ancha de los detectores LIGO con compresión dependiente de la frecuencia". Muchos investigadores adicionales contribuyeron al desarrollo del trabajo de compresión y compresión dependiente de la frecuencia, incluidos Mike Zucker del MIT y GariLynn Billingsley de Caltech, los líderes de las actualizaciones "Advanced LIGO Plus" que incluyen la cavidad de compresión dependiente de la frecuencia; Daniel Sigg del Observatorio LIGO Hanford; Adam Mullavey del Laboratorio LIGO Livingston; y el grupo de David McClelland de la Universidad Nacional de Australia. La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA opera una red de detectores de ondas gravitacionales en Estados Unidos, Italia y Japón. El Laboratorio LIGO es operado por Caltech y el MIT, y está financiado por la NSF con contribuciones a los detectores LIGO avanzados de Alemania (Sociedad Max Planck) y el Reino Unido. (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas) y Australia (Consejo Australiano de Investigación). Virgo está gestionado por el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) y financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef). en los Paises Bajos.

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