De 40 kilogram zware spiegels in de LIGO-detectoren worden in beweging gebracht door oprispingen van deeltjes in het vacuüm. Door dit aan te tonen, hebben natuurkundigen voor het eerst de grootschalige effecten van quantumfluctuaties blootgelegd.
Onderzoeker Haocun Yu van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bewees met zijn collega’s bovendien dat de detectoren nauwkeuriger kunnen meten dan de wetten van de quantummechanica lijken voor te schrijven. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
Deeltjes en antideeltjes
De LIGO-detectoren in de VS hebben sinds 2014 al vele zwaartekrachtsgolven waargenomen. Dat doen de apparaten via lichtbundels die in een 4 kilometer lange vacuümtunnel heen en weer bewegen tussen twee grote hangende spiegels. Wanneer een zwaartekrachtsgolf langskomt, rekt die de ruimtetijd in de tunnel eventjes een klein beetje uit, zodat de afstand tussen de spiegels verandert. Dat beïnvloedt het interferentiepatroon van de lichtbundels: het patroon dat door hun onderlinge vermenging ontstaat.
Maar niet alleen zwaartekrachtsgolven veranderen de afstand tussen de spiegels. Je stelt je het vacuüm in de detectoren waarschijnlijk voor als een saaie leegte, maar er gebeurt van alles. Doordat op quantumniveau niks volledig vastligt, ploppen zelfs in deze ‘lege’ ruimte voortdurend paren van deeltjes en antideeltjes tevoorschijn. Deze deeltjes vernietigen elkaar telkens onmiddellijk, maar hun oprispingen hebben desondanks invloed op de voorbijrazende lichtdeeltjes.
De quantumfluctuaties zorgen er namelijk voor dat de lichtbundels druk uitoefenen op de hangende spiegels, die daardoor in beweging komen. Het was al bekend dat deze duwtjes de spiegels een heel klein beetje zouden moeten verplaatsen, maar die verplaatsing is zo klein dat die tot dusver onmeetbaar was. Het gaat namelijk om 10-20 meter – een miljardste van een miljardste van een centimeter.
‘Een waterstofatoom is 10-10 meter groot. Deze verplaatsing van de spiegels is dus voor een waterstofatoom even klein als een waterstofatoom voor ons’, zegt onderzoeker Lee McCuller van MIT in een persbericht.
Squeezer
Het geschop van de quantumfluctuaties is bovendien lastig aan te tonen doordat nog meer factoren op de spiegels inwerken. Naast de ‘quantumruis’ die de fluctuaties opwekken, is er namelijk ook de ‘klassieke ruis’. Die wordt veroorzaakt door in de verte passerende vrachtwagens, aardbevinkjes en andere kleine verstoringen van buitenaf.
Om de klassieke ruis uit de metingen te filteren, gebruikten de onderzoekers een zogeheten quantum squeezer. Dat is een instrument dat sinds eind 2018 bij de LIGO-metingen wordt gebruikt. De squeezer, oftewel ‘samenperser’, verandert de eigenschappen van het laserlicht. Daardoor heeft die wel invloed op de quantumruis, die immers via de laserstralen werkt, maar niet op de klassieke ruis.
Door het binnenkomende licht op verschillende manieren samen te persen, konden de natuurkundigen de quantumruis onderscheiden van de klassieke ruis. Zo zagen ze dat de quantumruis krachtig genoeg is om de spiegels de voorspelde 10-20 meter te verplaatsen.
Spookachtige popcorn
De natuurkundigen slaan daarmee een brug tussen de quantumwereld en de alledaagse realiteit. ‘Het bijzondere aan dit experiment is dat we quantumeffecten hebben waargenomen op een object van menselijke grootte’, zegt onderzoeker Nergis Mavalvala van MIT in een persbericht. Voorheen hadden onderzoekers deze effecten alleen gemeten bij nano-objecten die een miljard keer minder wegen dan de 40 kilogram zware spiegels. ‘Dit is experimentele quantummechanica op zijn meest macroscopische schaal’, schrijven de onderzoekers dan ook in hun publicatie.
Collega-natuurkundigen Valeria Sequino van de Universiteit van Napels en Mateusz Bawaj van de Universiteit van Perugia zijn onder de indruk van de waarneming. ‘Dit is buitengewoon, aangezien de quantumfluctuaties die deze effecten veroorzaken, optreden op lengteschalen vergelijkbaar met de grootte van elementaire deeltjes’, schrijven ze in een begeleidend News & Views-artikel in Nature.
Bovendien wijzen Sequino en Bawaj erop dat de experimenten bij kamertemperatuur plaatsvonden. Omdat warmtefluctuaties een belangrijke veroorzaker zijn van ruis, vond eerder onderzoek op dit gebied plaats bij temperaturen van meer dan 180 graden onder nul.
‘We hebben er alles aan gedaan om de LIGO-spiegels te vrijwaren van beweging aangestuurd door warmte en andere krachten’, zegt Mavalvala. ‘Nu zijn ze stabiel genoeg om merkbaar heen en weer te worden geschopt door quantumfluctuaties – het spookachtige popcorn van het heelal.’
Heisenberg
Een mooi resultaat dus, maar de quantumruis die de onderzoekers hebben blootgelegd, is wel nadelig voor de LIGO-experimenten. Want daarin wil je juist zo min mogelijk ruis. De onderzoekers probeerden in hun experiment dan ook de quantumruis te minimaliseren – zelfs tot onder de grens van het toelaatbare.
Quantumruis is echter klein maar hardnekkig: de wetten van de quantummechanica maken het onmogelijk deze ruis volledig te filteren. Dat komt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Volgens dat principe kun je nooit zowel de positie als de snelheid van een deeltje tot extreme precisie kennen. Wanneer je het één nauwkeuriger vaststelt, wordt de onzekerheid in het ander vanzelf groter.
Dat is geen probleem wanneer je bijvoorbeeld de positie van een deeltje één keer wilt meten; dan is de snelheid ervan onzeker, maar daar ben je toch niet in geïnteresseerd. Wanneer je meerdere metingen achter elkaar wilt verrichten, gooit Heisenberg echter wel roet in het eten. Want als je de positie van een deeltje herhaaldelijk exact zou vaststellen, zou je ook de snelheid ervan weten – en dat mag niet. Daarom neemt de onzekerheid van de positiemeting bij elke herhaling toe; dit wordt quantum backaction genoemd.
Quantumlimiet
Ook LIGO’s bundels van lichtdeeltjes ontkomen niet aan Heisenberg en quantum backaction. In dit geval gaat het niet om positie en snelheid, maar om twee andere eigenschappen. Quantumfluctuaties veroorzaken onzekerheid in de sterkte van de lichtgolven en de fase waarin ze zich bevinden – in een piek, in een dal of ergens daartussenin.
Dat leidt tot twee vormen van quantumruis. De eerste is de ‘quantumstralingsdrukruis’. Die komt voort uit de onzekerheid in de sterkte van het licht in de laserstralen. Deze ruis zorgt voor het geschop tegen de spiegels.
De tweede vorm is de ‘hagelruis’. Die komt voort uit de onzekerheid in de fase van de lichtgolven. Wanneer die fase verschilt van die van een eerdere lichtbundel, ontstaat een afwijkend mengingspatroon, wat de indruk wekt dat de afstand tussen de spiegels is veranderd.
Doordat beide ruisvormen voortkomen uit quantumeffecten, belemmert het principe van Heisenberg de uitvoering van herhaaldelijke corrigerende metingen om de ruis te filteren. Daardoor is er altijd een minimale hoeveelheid quantumruis: de standaardquantumlimiet (SQL). Bij LIGO hangt de waarde van die limiet af van de kracht van de laserbundel.
Samenhang
Deze quantumlimiet leek onverbiddellijk. Maar dankzij de samenperser wisten de natuurkundigen hem toch te overschrijden.
De squeezer zorgt namelijk voor samenhang tussen de sterkte en de fase van de lichtbundels. Op die manier kunnen LIGO-onderzoekers een beetje onderhandelen met Heisenberg. Door de lichtbundels op de juiste manier samen te persen, verminderen ze bijvoorbeeld de onzekerheid in de sterkte van het licht, en daarmee ook in de positie van de spiegel. In ruil daarvoor wordt de onzekerheid in de fase van het licht groter.
Zo wordt de quantumstralingsdrukruis iets kleiner, en de hagelruis iets groter. Onder de streep boek je geen winst, zou je zeggen. Maar het mooie van deze truc is: doordat beide vormen van ruis in verband met elkaar staan, wordt de totale onzekerheid verkleind. Want wanneer je de onzekerheid in de lichtsterkte meet, ken je meteen ook de onzekerheid in de fase. Zo hoef je minder corrigerende metingen te verrichten en verklein je de quantum backaction.
De natuurkundigen toonden voor het eerst aan dat LIGO bij optimale samenpersing inderdaad de quantumlimiet verslaat. De gezamenlijke onzekerheid van de fase en de sterkte van de lichtbundels was 1,4 keer zo laag als de SQL, zodat er ook 1,4 keer zo weinig quantumruis was en de spiegels 70 procent minder ver uiteenbewogen.
Neutronensterren
Het trucje met het samengeperste licht heeft zijn vruchten al afgeworpen. Zonder de squeezer mat LIGO ongeveer maandelijks een zwaartekrachtsgolf, met de squeezer ongeveer wekelijks. De natuurkundigen hebben nu laten zien dat dit mede te danken is aan het overschrijden van de quantumlimiet.
Dit inzicht kan leiden tot verdere verbeteringen in de LIGO-metingen. Vrijwel alle zwaartekrachtsgolven die de detectoren nu meten, komen van botsingen tussen zwarte gaten. Natuurkundigen willen echter ook graag golven meten van botsende neutronensterren. Dit is pas één keer gelukt. Deze golven zijn namelijk een stuk zwakker, waardoor ze moeilijker van ruis te onderscheiden zijn.
‘De techniek van Yu en zijn collega’s kan de metingen voor alle frequenties verbeteren. Dan kunnen er nog meer zwaartekrachtsgolven worden gemeten dan nu mogelijk is’, schrijven Sequino en Bawaj. ‘Vervolgonderzoek in ruisonderdrukking leidt ons daarom naar een spannend tijdperk van detectoren die onder de quantumlimiet opereren.’
