Un team guidato dai ricercatori dell’Mit Ligo Laboratory ha misurato, per la prima volta, gli effetti delle fluttuazioni quantistiche su oggetti in scala umana. Lo studio, pubblicato su Nature, afferma che tali fluttuazioni possono far oscillare leggermente oggetti grandi quanto gli specchi del rilevatore Ligo che pesano circa quaranta chili l’uno.
Per misurare questo effetto i ricercatori hanno utilizzato uno strumento di loro invenzione, il quantum squeezer, che ‘spreme’ – proprio come farebbe uno spremiagrumi il rumore quantico – ovvero le fluttuazioni minime dello spazio che vengono percepite dai rilevatori come Ligo. «La particolarità di questo esperimento sta nel fatto che abbiamo visto effetti quantistici su oggetti che utilizziamo quotidianamente per le nostre ricerche – commenta Nergis Mavalvala del Mit – anche noi in ogni nano secondo della nostra esistenza siamo ‘schiacciati’ da queste fluttuazioni quantistiche ma la nostra energia termica è troppo grande perché queste ultime influenzino i nostri movimenti. Grazie al nostro quantum squeezer siamo riusciti ad isolare le fluttuazioni».
Ligo è costituito da due rivelatori identici uno ad Hanford, Washington e l’altro a Livingston, Louisiana, in grado di rilevare le onde gravitazionali, entrambi muniti di due tunnel di 4 chilometri, i bracci, a forma di L. Per rilevare un’onda gravitazionale viene inviato un raggio laser dall’angolo del rilevatore a forma di L lungo ciascun braccio al termine del quale è sospeso uno specchio. Successivamente, il laser rimbalza dal rispettivo specchio e si sposta indietro lungo ciascun braccio fino al punto di partenza.
Se un’onda gravitazionale attraversa il rilevatore, dovrebbe spostare una o entrambe le posizioni degli specchi, il che a sua volta influirebbe sulla tempistica dell’arrivo di ciascun laser alla sua origine. Questo dato viene utilizzato dai ricercatori per identificare un segnale di onda gravitazionale. I ricercatori si sono chiesti se Ligo potesse essere abbastanza sensibile da far percepire ai suoi strumenti anche effetti microscopici come le fluttuazioni quantiche all’interno dell’interferometro stesso – e in particolare – il rumore quantico generato tra i fotoni nel laser di Ligo.
«Questa fluttuazione quantistica nella luce laser può causare una pressione di radiazione che può effettivamente far oscillare leggermente un oggetto – aggiunge Lee McCuller co autore dello studio – l’oggetto nel nostro caso è uno specchio da 40 chilogrammi, che è un miliardo di volte più pesante degli oggetti su nanoscala di cui gli altri gruppi di ricerca si sono serviti per misurare questo effetto quantico».
Il team ha misurato il rumore totale all’interno degli interferometri di Ligo, incluso il rumore quantico di fondo, il rumore classico e i disturbi generati dalle normali vibrazioni quotidiane. Successivamente hanno acceso il quantum squeezer impostandolo su uno stato specifico che ha modificato in modo distinto le proprietà del rumore quantico. Sono stati quindi in grado di sottrarre il rumore classico durante l’analisi dei dati, per isolare il rumore puramente quantico nell’interferometro. Poiché il rilevatore monitora costantemente lo spostamento degli specchi verso qualsiasi rumore in arrivo i ricercatori sono stati in grado di osservare che il solo rumore quantico era sufficiente per spostare gli specchi – uno spostamento infinitesimale in questo caso – di 10 elevato alla -20 metri.
Durante la fase successiva dello studio i ricercatori si sono chiesti se sarebbe stato possibile utilizzare il quantum squeezer per ridurre il rumore quantico all’interno dell’interferometro. Per provare questa ipotesi il gruppo ha impostato lo strumento su 12 diverse angolazioni scoprendo che è possibile misurare le correlazioni tra le diverse distribuzioni del rumore quantico sia nel laser sia nel movimento degli specchi. Attraverso queste correlazioni quantistiche, il team è stato in grado di spremere il rumore quantico e lo spostamento dello specchio risultante, fino al 70 percento del suo livello normale. Grazie alla riduzione del rumore quantico di fondo nelle misurazioni di Ligo è stato possibile realizzare misurazioni più precise del limite quantico standard con l’obiettivo di intercettare, in futuro, fonti deboli provenenti da onde gravitazionali distanti.