Zum ersten Mal hat die LIGO-Kollaboration die Wirkung von Quantenfluktuationen auf ein makroskopisches Objekt – einen 40-Kilogramm-Spiegel – direkt gemessen. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Eine der erstaunlichsten Vorhersagen der Quantenfeldtheorie ist, dass das Vakuum des Weltraums nicht leer ist, sondern mit virtuellen Teilchen gefüllt ist, die aufgrund von Quantenfluktuationen geboren werden und sterben. Obwohl diese Schwankungen sehr schwach sind, können Wissenschaftler ihre Wirkung auf Felder oder kleine Objekte messen. Im Alltag können wir jedoch im Umgang mit makroskopischen Systemen den Einfluss von Quantenfluktuationen nicht direkt spüren.
Das LIGO-Observatorium, in dem erstmals Gravitationswellen nachgewiesen wurden, ist eine der genauesten Anlagen der Welt. Das Observatorium besteht aus zwei riesigen Detektoren, vier Kilometer langen Interferometern mit 40 Kilogramm schweren Spiegeln. Bei der Messung von Gravitationswellen wird ein Laserstrahl zum Interferometer geschickt, von den Spiegeln reflektiert und zurückgeworfen. An der Zeitverzögerung können Sie feststellen, ob die Spiegel aufgrund der Gravitationswelle verschoben wurden.
Das entwickelte Detektorsystem ist sehr gut gegen externes Rauschen geschützt, jedoch ist es aufgrund von Fluktuationen völlig unmöglich, das Quantenrauschen loszuwerden. Andererseits lässt sich mit einem so guten Schutz gegen klassisches Rauschen der Einfluss von Quanteneffekten in einem makroskopischen System messen.
Die LIGO-Kollaboration berichtete, dass sie die ersten waren, die die Wirkung von Quantenfluktuationen auf ein makroskopisches Interferenzschema, nämlich auf die Spiegelverschiebung, entdeckten. Bisher konnten Wissenschaftler die Auswirkungen von Fluktuationen nur bei Nanoobjekten milliardenfach geringer sehen.
Schema des LIGO-Interferometers zur Messung des gequetschten Quantenzustands
Um den direkten Einfluss von Fluktuationen zu erkennen, haben Wissenschaftler ein auf Quantenkompression basierendes Gerät in die Schaltung eingebaut, das es ermöglicht, die Eigenschaften von Fluktuationen, nämlich die Stärke der Quantenkorrelationen, zu verändern. Dazu erzeugten die Wissenschaftler einen komprimierten Lichtzustand mit einer kontrollierten Kompressionsstruktur und verwendeten ihn in einem Interferometer als Sondenstrahl. Physiker variierten die Kompressionsparameter und maßen die Abhängigkeit der Spiegelverschiebung von diesen Parametern. Gäbe es keine Quantenkorrelationen, dann wäre die Spiegelverschiebung unempfindlich gegen Kompression. Damit konnten sie zuverlässig zeigen, dass die Verschiebung von Spiegeln auf Quantenrauschen und nicht auf gewöhnliche Schwingungen zurückzuführen ist.
Versuchsergebnisse
Die Forscher registrierten eine Spiegelverschiebung von 10-20 Metern, was ein absoluter Rekord für mechanische Bewegungsmessungen ist. Auch komprimierte Lichtquanten können künftig für noch genauere Messungen von Gravitationswellen genutzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht Messungen mit einer Genauigkeit oberhalb der Quantengrenze.
LIGO hat den Betrieb im März aufgrund der Pandemie eingestellt, ist aber jetzt bereit, an der Installation weiterzuarbeiten. Mehr über optische Quantenmessungen lesen Sie in unserem Artikel "Connect and Measure".
