Bir fizik profesörü ve kuantum sıkıştırma uzmanı olan Lee McCuller, dünyanın en gelişmiş yerçekimi dalgası dedektörü olan LIGO’nun hassasiyetini artırmak için yenilikçi teknikler geliştiriyor. Gelecekteki hedefi, bu tekniklerin uygulamalarını LIGO’nun ötesine genişletmektir.
Yeni Caltech profesörü Lee McCuller, kuantum ölçümlerini daha da hassas hale getiriyor.
Bir kişiden Genç yaşta, yeni Fizik Yardımcı Doçenti Lee McCuller, uygulamalı bir şeyler inşa etme sürecinden keyif aldı. Bu ilgi, kendisi için bir güç kaynağı yaratan amcası tarafından teşvik edildi. McCuller bunu RadioShack’in elektronik hobi kitleriyle birlikte kullanarak ışıkları ve motorları açıp kapatmak için analog devreleri çalıştırmak gibi basit görevleri yerine getirdi. Bugün, McCuller’ın mühendislik becerisi, bazılarının dünyadaki en gelişmiş ölçüm cihazı olarak adlandırdığı son derece gelişmiş bir cihaza uygulanıyor: Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi veya LIGO.
Lee McCuller, fizik profesörü yardımcısı. Kredi: Caltech
McCuller, LIGO’da yerçekimi dalgalarının son derece hassas ölçümlerini elde etmek için kullanılan bir teknik olan kuantum sıkıştırma olarak bilinen bir alanda tanınmış bir uzmandır. bize ulaşmak için uzayda milyonlarca ve milyarlarca ışıkyılı yol kat eden. Kara delikler ve nötron yıldızları olarak adlandırılan çökmüş yıldızlar çarpıştığında, uzay-zamanda dalgalanmalar veya yerçekimi dalgaları üretirler. Washington ve Louisiana’da bulunan LIGO’nun dedektörleri, bu dalgaları toplama konusunda uzmanlaşmıştır, ancak kuantum mekaniğinin doğal bir özelliği olan ve boş uzayda fotonların var olmasına ve yok olmasına neden olan kuantum gürültüsü ile sınırlıdır. Kuantum sıkıştırma, bu istenmeyen gürültüyü azaltmak için karmaşık bir yöntemdir.
Kuantum sıkıştırma ve ilgili ölçümlere yönelik araştırmalar, Caltech’ten Kip Thorne (BS ’62), Richard P’nin temel teorik çalışmaları ile 1980’lere kadar uzanmaktadır. Feynman Fahri Teorik Fizik Profesörü, fizikçi Carl Caves (PhD ’79) ve dünya çapındaki diğerleri ile birlikte. Bu teoriler, 1986’da Fahri William L. Valentine Fizik Profesörü Jeff Kimble tarafından sıkıştırmanın ilk deneysel gösterisine ilham verdi. Sonraki on yıllar, sıkıştırma araştırmalarında birçok başka ilerlemeye tanık oldu ve şimdi McCuller bu yenilikçi alanın öncüsü konumunda. Örneğin, bu yılın Mayıs ayında tekrar açıldığında LIGO’nun hassasiyetini büyük ölçüde artıracak olan “frekansa bağlı” sıkıştırmayı geliştirmekle meşgul. 2010’da McCuller Chicago Üniversitesi’ne girdi ve 2015’te fizik alanında doktora derecesini aldı. Orada yerçekimini kuantum mekaniğiyle ilişkilendirecek spekülatif bir gürültü türü arayan Fermilab Holometer adlı bir deney üzerinde çalışmaya başladı. McCuller, Ronald ve Maxine Linde Emeritus Fizik Profesörü Thorne ve Barry Barish ile birlikte 2017’de Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan MIT’den Rai Weiss’in de aralarında bulunduğu LIGO bilim adamlarıyla bu proje sırasında tanıştı. LIGO’daki çığır açan çalışmaları. McCuller, Weiss ve LIGO projesinden ilham aldı ve 2016’da MIT’ye katılmaya karar verdi. 2022’de Caltech’te yardımcı doçent oldu.
Mcculler, gelecekte LIGO için geliştirdiği kuantum ölçüm araçlarını almayı umuyor. ve bunları diğer problemlere uygulayın. “LIGO dünyadaki en hassas cetvel ise, o zaman bu cetvelleri herkesin kullanımına sunmak istiyoruz” diyor.
LIGO Hanford Laboratuvarı. Kredi: LIGO Laboratuvarı
Caltech News, kuantum sıkıştırma ve bunun diğer alanlara gelecekteki uygulamaları hakkında daha fazla bilgi edinmek ve ayrıca McCuller’ı Caltech’e katılma konusunda neyin teşvik ettiğini öğrenmek için McCuller ile Zoom üzerinden bir araya geldi.
Ne zaman ilk olarak LIGO üzerinde çalışmaya başladınız mı?
2015’te Chicago Üniversitesi’nden mezun olduktan sonra MIT’de LIGO üzerinde çalışmaya başladım. Kapıdan içeri girdiğimde yerçekimi dalgalarının ilk tespiti hakkında bir toplantı yapıyorlardı! Halk henüz bilmiyordu ama söylentiler vardı.Benim işim, bunun ilk tam ölçekli gösteriminin yapılmasına yardımcı olmaktı. Benden önceki grup konsepti daha önce göstermişti ama tam ölçekte değil. Onu LIGO gözlemevlerinde kullanmak için tam olarak neye ihtiyaç duyulacağını göstermek için oradaydım. Bu, özellikle zorlu bir deney düzeneği gerektiriyordu.
Kuantum sıkıştırmanın ne olduğunu açıklamaya çalışabilir misiniz?
LIGO, gözlemevi konumlarının her birinde uzay-zamandaki bozulmaları ölçmek için lazer ışınları kullanır; yerçekimi dalgaları. Lazer ışınları birbirinden 90 derece açıyla fırlatılır ve 4 kilometrelik iki kol boyunca ilerler. Aynalardan yansırlar ve tekrar buluşmak için kollardan aşağı doğru hareket ederler. Bir yerçekimi dalgası uzaydan geçerse, LIGO kollarını gerecek ve sıkıştıracak, böylece lazerler senkronize olmayacak şekilde itilecektir; bunlar tekrar buluştuğunda, birleşik lazer bir girişim deseni oluşturacaktır.
Kuantum düzeyinde, lazer ışığında farklı zamanlarda aynalara çarpan fotonlar vardır. Biz buna atış gürültüsü veya kuantum gürültüsü diyoruz. BB’lerle dolu bir kutuyu çöpe attığınızı hayal edin. Hepsi yere çarptı ve bağımsız olarak tıkır tıkır tıkırdadı. BB’ler rastgele yere çarpıyor ve bu bir ses çıkarıyor. Fotonlar BB’ler gibidir ve düzensiz zamanlarda LIGO’nun aynalarına çarpar. Kuantum sıkıştırma, özünde, fotonların sanki bağımsız hareket etmek yerine el ele tutuşuyormuş gibi daha düzenli bir şekilde varmalarını sağlar. Bu da, LIGO’nun içindeki ışığın fazını veya frekansını daha hassas bir şekilde ölçebileceğiniz ve sonuçta daha zayıf yerçekimi dalgalarını bile tespit edebileceğiniz anlamına gelir.
Işığı sıkıştırmak için, temelde ışık dalgalarının doğasında var olan belirsizliği tek bir özellikten zorlarız başka bir. Işığı fazı veya frekansı açısından daha kesin ve genliği veya gücü açısından daha az kesin hale getiriyoruz [belirsizlik ilkesi, bir ışık dalgasının hem tam frekansının hem de genliğinin aynı anda bilinemeyeceğini söyler. aynı zamanda]. Sıkmanın gerçekte nasıl çalıştığının ayrıntılarını gerçekten açıklamak çok zor! Bunu açıklamak için öncelikle matematiği nasıl kullanacağımı biliyorum.
LIGO’da kuantum sıkıştırma teknolojisinin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi verebilir misiniz?
Sıkıştırılmış ışıkla ilgili ilginç bir şey, biz yapmıyoruz. gerçek lazer için herhangi bir şey. dokunmuyoruz bile. LIGO’yu çalıştırdığımızda, dalga girişimi tamamen karanlık olmayacak şekilde kolları dengeleriz – az miktarda ışık geçer. Geriye kalan az miktardaki ışığın, vakumdaki veya boş uzaydaki kuantum dalgalanmalarına müdahale eden bir elektrik alanı vardır ve bu, atış gürültüsüne veya daha önce bahsettiğimiz gibi BB’ler gibi davranan fotonlara yol açar. Işığı sıkıştırdığımızda, aslında vakumu sıkıştırıyoruz, böylece fotonların frekanslarındaki belirsizlik daha düşük oluyor.
Üzerinde çalışmakta olduğunuz yeni “frekansa bağlı” teknik neleri içeriyor?
Şimdiye kadar, frekanstaki belirsizliği azaltmak için LIGO’da ışığı sıkıştırıyorduk. Bu, LIGO’nun menzili içindeki yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarına karşı daha duyarlı olmamızı sağlar. Ancak daha düşük frekansları tespit etmek istiyorsak -örneğin bir karadelik birleşmesinde daha önce, cisimler çarpışmadan önce meydana gelir- tersini yapmalıyız: ışığın genliğini veya gücünü daha kesin ve frekansını daha az yapmak istiyoruz. kesin. Düşük frekanslarda, BB benzeri fotonlarımız olan atış gürültüsü, aynaları farklı şekillerde iter. Bunu azaltmak istiyoruz. LIGO dedektörlerindeki yeni frekansa bağlı kavitemiz, yüksek frekanslardaki frekans belirsizliğini ve düşük frekanslardaki amplitüd belirsizliklerini azaltmak için tasarlanmıştır. Amaç, her yerde kazanmak ve istenmeyen ayna hareketlerini azaltmaktır.
Bu teknolojinin bir sonraki çalışmada daha önemli olmasının bir nedeni, lazerlerimizin gücünü artırıyor olmamızdır. Daha fazla güçle aynalara daha fazla baskı uygularsınız. Yeni sıkıştırma teknolojimiz, istenmeyen ayna hareketlerini yaratmadan gücü açmamıza olanak tanıyacak.
Bunun anlamı, kara delik ve nötron yıldızı birleşmelerinin erken evrelerine karşı daha da hassas olacağımız ve daha da zayıf birleşmeler görebiliriz.
Başka hangi projeler üzerinde çalışıyorsunuz?
Üzerinde çalıştığım bir proje, Kathryn Zurek ve Rana Adhikari’yi içeriyor. Bazılarının söylediği gibi, kuantum yerçekiminin imzalarını veya uzay ve zamandaki pikselleri almaya çalışacak masa üstü boyutlu bir dedektör inşa ediyoruz. Buradaki fikir, interferometreleri daha çok yüksek enerjili fizik dedektörleri gibi yapmaktır. Dedektörler, içinden bir şey geçtiğinde tıklar ve atış gürültüsünün etkilerini büyük ölçüde ortadan kaldırır. Projenin motivasyonunu seviyorum – yerçekimi teorilerini kuantum fiziği ile birleştirme arayışı olan kuantum yerçekimi. Bu çok yüce bir hedef.
Genel olarak yapmayı umduğum şey, LIGO çalışmasından büyümek ve kuantum ölçüm tekniklerini yalnızca yerçekimi dalga dedektörlerini geliştirmek için değil, aynı zamanda diğer temel fizik deneylerinin veya teknolojiler geliştirilebilir.Işığı sıkıştırmak, bu kavramların gerçek bir deneyde ilk gösterimlerinden biridir. Umut, bu kuantum tekniklerini giderek daha fazla deneyde kullanmaya devam edebilmemizdir. LIGO’nun avantajlarını kullanmak ve bunları uygulayabileceğimiz tüm yerleri bulmak istiyoruz.
Caltech’i seçmenize ne sebep oldu?
Caltech’in çok sayıda görev odaklı bilim insanı var. Bu sadece öğrenmek, göstermek veya keşfetmekle ilgili değil, tüm bunların karışımı. Amacın teknolojileri entegre etmek ve yeni deneyler yapmak olduğu bir yeri seviyorum. Örneğin LIGO’yu ele alalım. Her şeyin nasıl çalıştığını çok az insan biliyor ve birçoğu burada. Caltech, insanların yaptığımızın zor olduğunu anladığı bir yer. İyi projeler, hem dar hem de geniş uzmanlık ve doğru insanlardan oluşan bir kombinasyon gerektirir. Öğrenciler benzer şekilde hem bilim hedefleri hem de süreç tarafından motive edilirler. Yalnızca güvenilir bir şekilde çalışan bir şey inşa etmeye çalışmıyoruz, aynı zamanda mümkün olanın sınırında olan bir şey inşa etmeye çalışıyoruz.
.