レーザー干渉計重力波天文台（LIGO）は2015年、初めて重力波を直接検出したと発表し、歴史にその名を刻んだ。LIGOは今回、「量子限界」（重力波の測定精度を制限していた宇宙固有のノイズ）を回避し、これまでの精度レベルを超え超えることで再び歴史を塗り替えた。これによりLIGOは、より多くの重力波を探索するために、宇宙の60％以上を探査することが可能になったのだ。
ブラックホールのような非常に巨大な物体が衝突すると、放出されるエネルギーは現実そのものに波紋を広げるほど強力である。これらの重力波は、1世紀以上前にアルベルト・アインシュタインによって初めて予言されたが、科学者たちがこの重力波を初めて直接検出したのは2015年のことだった。
レーザー干渉計重力波天文台（LIGO）は、2本の長いトンネルにレーザーを照射し、鏡に反射させて、その光がどのように戻ってくるかを測定する。他の影響を制御し、注意深く観察することで、検出器はレーザービームが陽子の幅よりも小さいわずかな量でも歪むと、重力波が流れてきたことを感知することができる。それ以来、LIGOや他の検出器によって何十もの重力波信号が検出されている。
しかし、これらの施設の感度には限界があり、それは量子物理学の法則そのものによって決められている。LIGOのレーザーを含む真空管は、一般的に完全に何もない空間と考えられているが、そのようなことは不可能である。量子の揺らぎは、粒子が常に飛び出し、何分の一秒か生きてはまた消えていくことを意味する。このかすかな量子ノイズがLIGOの観測を妨害し、観測に厳しい制限を加えている。
まるでSFのようだ
LIGOの科学者たちは、量子スクイーズと呼ばれる技術を使って、それを突破する方法を発見し、実証している。量子スクイーズとは、ある特性（例えば周波数）では光を絞り込むが、別の特性（例えばパワー）では精度を落とすことで、光とその精度をコントロールすることを可能にするものだ。これは不確定性原理によるものである。
不確定性原理とは、物体のある特徴をより正確に知れば知るほど、他の特徴をより正確に知ることができなくなるというものである。最も一般的な例は、箱の中で跳ね回っている粒子である。ある時間におけるその粒子の位置を正確に測定できれば、その運動量についてはあまりわからなくなり、逆もまた然りである。
出力が低下するため、2019年以降、量子スクイーズは重力波の高い周波数帯でのみ行われてきた。しかし、新しいセットアップでは周波数依存スクイーズ共振器と呼ばれる新しい装置が設置され、周波数ごとに異なる光の性質を絞り込むことで、LIGOが検出できる周波数の全範囲にわたってこの量子トリックを行うことができる。
「以前は、LIGOの精度を上げたい場所を選ばなければなりませんでした。これで、私たちはケーキを食べたり、ケーキを手に取ったりすることができます。これを機能させるための方程式を書き留める方法はしばらく前からわかっていましたが、これまで実際に機能させることができるかどうかは明らかではありませんでした。これはSFのようなものです」とLIGOチームメンバーのRana Adhikari教授（カリフォルニア工科大学物理学）は述べている。
この技術的な偉業は驚くべきもので、観測的にも重要な結果をもたらす。量子限界を回避することで、検出される数が60％増加すると期待されている。LIGOは現在、宇宙のより広い領域を観測している。
「LIGOはレーザーと大きな鏡を使って観測していますが、私たちは量子領域の影響を受けることを意味する感度のレベルで研究しています。LIGOはレーザーと大きな鏡を使って観測を行っているが、我々は量子領域の影響を受けるような感度で観測を行っているのです」とカリフォルニア工科大学の物理学助教授で、新しい研究のリーダーの一人であるLee McCuller氏は説明する。
LIGOのパートナー観測所であるVirgoも、昨年5月に開始され2024年末まで継続される現在の運用の中で、周波数依存スクイーズ技術を使用する予定である。
また、チームは以下のビデオでこの仕事について説明している。
論文
- Physical Review X: Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing
参考文献
- Caltech: LIGO Surpasses the Quantum Limit
研究の要旨
量子ノイズは、LIGOのような干渉計型重力波検出器の感度に基本的な制限を課し、ショットノイズや量子放射圧ノイズとして現れる。ここでは、フルスケールの重力波検出器における周波数依存スクイーズを初めて実現し、ショットノイズと量子放射圧ノイズの両方を低減し、数十Hzから数kHzまでの広帯域の検出器増強に成功したことを紹介する。LIGO Hanford検出器では、スクイーズは検出器ノイズ振幅を1kHz付近で()倍減少させ、Livingston検出器では、ノイズ減少は()倍であった。これらの改善はLIGOの高周波ソース（例えば連星中性子星のポストマージャー物理）に対する科学的アウトプットに直接影響します。低周波感度の向上は、スクイーズなしと比較して検出器範囲を拡大し、天体物理学的検出率を最大65%増加させることに相当します。周波数依存スクイーズは、LIGO A+アップグレードの一環として、各検出器に300mのフィルターキャビティを追加することで可能となった。
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