Nel 2015, il "Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory" (LIGO) fece storia quando effettuò la prima rilevazione diretta di onde gravitazionali prodotte da una coppia di buchi neri in collisione. Da allora, LIGO e Virgo hanno rilevato numerosi segnali generati da fusioni tra buchi neri e anche da stelle di neutroni, grazie alla capacità di misurare le increspature del tessuto dello spazio-temporale su scale 10 milioni di miliardi di volte più sottili di un capello umano.

 Tuttavia, la precisione delle antenne gravitazionali ha continuato ad essere limitata dalle leggi della fisica quantistica secondo cui, su scale infinitesimali, lo spazio vuoto è riempito dal debole crepitio del rumore quantistico. Ora, in un articolo uscito su Physical Review X , i ricercatori di LIGO riportano un progresso significativo in una tecnologia quantistica chiamata “squeezing” che consente loro di aggirare questo limite e misurare le ondulazioni nello spaziotempo attraverso l’intera gamma di frequenze delle onde gravitazionali rilevate da LIGO.

 Questa nuova tecnologia di "spremitura dipendente dalla frequenza" è in funzione su LIGO da quando è partita la campagna O4 e permette di migliorarne la sensibilità e sondare un volume più ampio dell'Universo, circa il 60% in più. 

 "Non possiamo controllare la natura, ma possiamo controllare i nostri rilevatori", afferma Lisa Barsotti del MIT che ha supervisionato lo sviluppo della nuova tecnologia LIGO, un progetto originariamente guidato da M. Evans e N. Mavalvala. Lo sforzo comprende ora dozzine di scienziati e ingegneri con sede al MIT, al Caltech e agli osservatori gemelli LIGO di Hanford, Washington e Livingston, Louisiana. "Ora che abbiamo superato questo limite quantistico, possiamo fare molta più astronomia", spiega Lee McCuller, assistente professore di fisica al Caltech e uno dei leader del nuovo studio. "LIGO utilizza laser e grandi specchi per effettuare le sue osservazioni, ma stiamo lavorando a un livello di sensibilità che significa che il dispositivo è influenzato dal regno quantistico."

 I risultati hanno anche implicazioni per le future tecnologie quantistiche come i computer quantistici e altra microelettronica, nonché per esperimenti di fisica fondamentale. "Possiamo prendere ciò che abbiamo imparato da LIGO e applicarlo a problemi che richiedono la misurazione di distanze su scala subatomica con incredibile precisione", afferma McCuller.

 Le leggi della fisica quantistica impongono che le particelle, compresi i fotoni, entrino e escano casualmente dallo spazio vuoto, creando un sibilo di rumore quantistico di fondo che porta un livello di incertezza alle misurazioni basate sui laser di LIGO. La compressione quantistica, che affonda le sue radici alla fine degli anni '70, è un metodo per silenziare il rumore quantistico o, più specificamente, per spingere il rumore da un dominio di frequenza ad un altro con l'obiettivo di effettuare misurazioni più precise.

 Il termine "squeezing" fa leva sul principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale non è possibile conoscere contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella, ovvero la frequenza e l'ampiezza di un'onda come la luce. Dal 2019, i rilevatori gemelli di LIGO comprimono la luce in modo tale da migliorare la loro sensibilità alla gamma di frequenze alte delle onde gravitazionali che rilevano. Ma, proprio come comprimere un lato di un palloncino provoca l’espansione dell’altro lato, comprimere la luce ha un prezzo. Rendendo le misurazioni di LIGO più precise alle alte frequenze, le misurazioni sono diventate meno precise alle frequenze più basse.

 Ora, le nuove cavità ottiche di LIGO dipendenti dalla frequenza, tubi lunghi circa quanto tre campi da calcio, consentono alla squadra di comprimere la luce in modi diversi a seconda della frequenza delle onde gravitazionali di interesse, riducendo così il rumore nell'intera gamma di frequenze di LIGO. 

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Tubo a vuoto che ospita la cavità del filtro di 300 metri di LIGO, utilizzato per implementare la spremitura dipendente dalla frequenza. Ogni struttura LIGO, una a Hanford, Washington, e l'altra a Livingston, Louisiana, ha la propria cavità di questo tipo. (Credito immagine: MJ Doherty)


Incertezza nel regno quantistico

 Ogni struttura LIGO è composta da due bracci lunghi 4 chilometri collegati a formare una "L". I raggi laser viaggiano lungo ciascun braccio, colpiscono giganteschi specchi sospesi e poi tornano al punto di partenza. Quando le onde gravitazionali spazzano l'interferometro, causano l'allungamento e la compressione dei bracci di LIGO, spostando i raggi laser fuori sincronia . Ciò fa sì che la luce dei due fasci interferisca tra loro in modo specifico, rivelando la presenza di onde gravitazionali.

 Tuttavia, il rumore quantistico che si annida all’interno dei tubi a vuoto che racchiudono i raggi laser di LIGO può alterare la tempistica dei fotoni nei raggi anche di piccole quantità. Le tecnologie di compressione in atto dal 2019 fanno sì che “i fotoni arrivino più regolarmente, come se si tenessero per mano anziché viaggiare indipendentemente”, ha affermato McCuller. L'idea è quella di rendere la frequenza, o tempistica, della luce più certa e l'ampiezza, o potenza, meno certa come un modo per ridurre gli effetti di tipo BB dei fotoni. Ciò viene ottenuto con l'aiuto di cristalli specializzati che essenzialmente trasformano un fotone in una coppia di due fotoni entangled o collegati con energia inferiore. I cristalli non comprimono direttamente la luce nei raggi laser di LIGO; piuttosto, comprimono la luce diffusa nel vuoto dei tubi LIGO e questa luce interagisce con i raggi laser per comprimere indirettamente la luce laser.

 "La natura quantistica della luce crea il problema, ma la fisica quantistica ci fornisce anche la soluzione", afferma Barsotti.

 

Un'idea iniziata decenni fa

 Il concetto stesso di spremitura risale alla fine degli anni '70, a partire dagli studi teorici del defunto fisico russo Vladimir Braginsky, Kip Thorne e Carlton Caves. I ricercatori avevano riflettuto sui limiti delle misurazioni e delle comunicazioni basate sui quanti, e questo lavoro ispirò una delle prime dimostrazioni sperimentali di spremitura nel 1986 da parte di H.J. Kimble e W.L. Valentine.

 Nel 2002, i ricercatori iniziarono a pensare a come comprimere la luce nei rilevatori LIGO e, nel 2008, la prima dimostrazione sperimentale della tecnica fu ottenuta presso l'impianto di prova di 40 metri del Caltech. Nel 2010, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un progetto preliminare per uno spremitore LIGO, che hanno testato presso il sito LIGO di Hanford. Anche il lavoro parallelo svolto presso il rilevatore GEO600 in Germania ha convinto i ricercatori che la spremitura avrebbe funzionato. Nove anni dopo, nel 2019, dopo molte prove e un attento lavoro di squadra, LIGO ha iniziato a spremere la luce per la prima volta .

 "Abbiamo affrontato molti problemi per la risoluzione dei problemi", afferma Sheila Dwyer, che lavora al progetto dal 2008, prima come studentessa laureata al MIT e poi come scienziata presso l'Osservatorio LIGO Hanford a partire dal 2013. alla fine degli anni '70, ma ci sono voluti decenni per farlo bene".


Troppo di una cosa buona

 C'è un compromesso insito nella tecnica di squeezing: spostando il rumore quantistico lontano dalla frequenza della luce laser, i ricercatori inseriscono il rumore sull’ampiezza, (intensità) della luce laser. I raggi laser più potenti spingono quindi i pesanti specchi di LIGO provocando un rimbombo indesiderato corrispondente alle frequenze più basse delle onde gravitazionali. Questi rimbombi mascherano la capacità dei rilevatori di rilevare le onde gravitazionali a bassa frequenza.

 "Anche se usiamo la compressione per mettere ordine nel nostro sistema, riducendo il caos, ciò non significa che stiamo vincendo ovunque", afferma Dhruva Ganapathy, uno studente laureato al MIT e uno dei quattro autori principali del nuovo studio. "Siamo ancora vincolati dalle leggi della fisica." Gli altri tre autori principali dello studio sono lo studente laureato del MIT Wenxuan Jia, lo studioso post-dottorato di LIGO Livingston Masayuki Nakano e la studiosa post-dottorato del MIT Victoria Xu.

 Sfortunatamente, questo fastidioso rimbombo diventa ancora più problematico quando il team LIGO accende i suoi laser. "Sia la compressione che l'atto di aumentare la potenza migliorano la precisione del nostro rilevamento quantistico al punto da essere influenzati dall'incertezza quantistica", afferma McCuller. "Entrambi causano una maggiore spinta di fotoni, che porta al rimbombo degli specchi. La potenza del laser aggiunge semplicemente più fotoni, mentre la compressione li rende più grumosi e quindi rumorosi."

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Una vista della fonte di luce compressa nella camera a vuoto di LIGO, scattata quando la camera che conteneva la tecnologia era aperta per manutenzione. (Credito immagine: Wenxuan Jia/MIT)

 

Una vittoria per tutti

 La soluzione è comprimere la luce in un modo per le alte frequenze delle onde gravitazionali e in un altro modo per le basse frequenze. È come andare avanti e indietro tra la compressione di un palloncino dall'alto, dal basso e dai lati. Ciò è possibile grazie alla nuova cavità di compressione dipendente dalla frequenza di LIGO, che controlla le fasi relative delle onde luminose in modo tale che i ricercatori possano spostare selettivamente il rumore quantistico in diverse caratteristiche della luce (fase o ampiezza) a seconda della gamma di frequenza di onde gravitazionali.

 "È vero che stiamo facendo un esperimento quantistico davvero interessante, ma il vero motivo è che si tratta del modo più semplice per migliorare la sensibilità di LIGO", afferma Ganapathy. "Altrimenti dovremmo potenziare il laser, il che ha pone problemi, oppure dovremmo aumentare notevolmente le dimensioni degli specchi, il che sarebbe costoso".

 Anche l’osservatorio partner di LIGO, Virgo, probabilmente utilizzerà la tecnologia di spremitura dipendente dalla frequenza nell’ambito del progetto attuale, che continuerà fino a circa la fine del 2024. Anche i grandi rilevatori di onde gravitazionali terrestri di prossima generazione, come i previsti "Cosmic Explorer" e "Einstein Observatory", raccoglieranno i vantaggi della luce compressa.

"Stiamo finalmente approfittando del nostro universo gravitazionale", dice Barsotti. "In futuro potremo migliorare ancora di più la nostra sensibilità. Mi piacerebbe vedere fino a che punto possiamo spingerci."

 Lo studio Physical Review X è intitolato "Potenziamento quantistico a banda larga dei rilevatori LIGO con spremitura dipendente dalla frequenza". Molti altri ricercatori hanno contribuito allo sviluppo del lavoro di spremitura e di spremitura dipendente dalla frequenza, tra cui Mike Zucker del MIT e GariLynn Billingsley del Caltech, i responsabili degli aggiornamenti "Advanced LIGO Plus" che includono la cavità di spremitura dipendente dalla frequenza; Daniel Sigg dell'Osservatorio LIGO Hanford; Adam Mullavey del Laboratorio LIGO Livingston; e il gruppo di David McClelland dell'Australian National University.