Фізики представили першу систему, в якій можливий безпосередній вимір породжуваного тиском випромінювання квантового шуму - одного з основних факторів, що обмежують точність гравітаційно-хвильових приймачів наступного покоління. В результаті у вчених з'явилася зручна випробувальна модель для вивчення методів подолання даного обмеження, таких як використання стислих станів світла. Опис розробки опубліковано в журналі.
Сучасні детектори гравітаційних хвиль використовують електромагнітне випромінювання для безперервного стеження за положенням тестових мас. Вони представляють собою оптичні інтерферометри, по плечах яких поширюються лазерні промені, що відбиваються від дзеркал. Після багаторазового проходження плеча імпульси випромінювання з різних прапорів зводяться разом і інтерферують. Якщо через такий приймач проходить гравітаційна хвиля, то вона злегка змінює оптичні довжини шляхів між тестовими масами (дзеркалами), через що лазерні імпульси приходять із затримкою і інтерференційна картина змінюється.
Квантова механіка накладає фундаментальну межу на точність таких безперервних вимірювань. Він є наслідком принципу невизначеності Гейзенберга: якщо збільшувати точність визначення однієї спостережуваної величини (наприклад, координати), то будуть збільшуватися помилки у вимірі сполученої величини (імпульсу). Це явище отримало назву квантової зворотної дії (quantum back action). У контексті гравітаційно-хвильових антен це означає, що збільшення потужності лазерного випромінювання знижує внесок дробового шуму - пов'язаного з квантовою природою світла шуму рахунку фотонів, - але при цьому неминуче зростає пов'язаний з тиском випромінювання квантовий шум (quantum radiation pressure noise - QRPN).
Чутливість гравітаційно-хвильових антен першого покоління, таких як LIGO і Virgo, обмежувалася іншими факторами, але для наступного покоління установок даного типу, до яких відносяться Advanced LIGO, Advanced Virgo і KAGRA, передбачається провідна роль QRPN в якості компонента шумів в діапазоні від 10 до 100 герц. Існує кілька концепцій протидії QRPN у разі гравітаційних антен, але до недавнього моменту не існувало можливості перевірити їх експериментально. Вивчення цього явища ускладнюється тим, що зазвичай класичні шуми, такі як вібрації і пов'язані з температурою флуктуації, домінують, а внесок квантових шумів незначний.
У роботі під керівництвом Томаса Корбітта (Thomas Corbitt) з Університету штату Луїзіана описана система, в якій можливий безпосередній вимір QRPN в кілогерцевому діапазоні при кімнатній температурі. Розробка являє собою добре відображаючий монокристалічний мікрорезонатор з низькими втратами і сильно пригніченими тепловими шумами, включений в оптомеханічну систему в якості одного з дзеркал в інтерферометрі Фабрі - Перо. Мікрорезонатор складається з сполученої з монокристалом арсеніда галія оправи і дзеркала з 23 пар чвертьволнових платівок, що пропускають 250 мільйонних часток падаючого світла. Механічна добротність мікрорезонатора масою 50 нанограм при кімнатній температурі склала 16000, а оптична добротність інтерферометра - 13000.
Якщо увімкнути встановлення, то випромінювання Nd:YAG-лазера буде використовуватися як для вимірювання руху мікрорезонатора, так і для його стабілізації від флуктуацій за допомогою системи зі зворотним зв'язком. Додатковий контур зворотного зв'язку відповідає за неспівпадіння резонансних частот інтерферометра і лазерного випромінювання. Після компенсації обурень, відображене від мікрорезонатора світло використовується для аналізу його зміщень. Вимірюваною величиною є шумовий спектр фотодетектора PDM. Він складається з декількох компонент, з яких автори роботи розглядають класичні флуктуації інтенсивності і частоти лазера, тепловий шум, дробовий шум, шум темнового струму фотодіоду і QRPN. Основний внесок робить тепловий шум, але робота пристрою на малій потужності дозволяє побудувати його модель в умовах зневажливо малого впливу наступного за важливістю компонента - QRPN.
Для безпосереднього визначення квантової зворотної дії фізики вимірювали зміщення мікрорезонатора при п'яти значеннях потужності лазерного випромінювання: 10, 73, 110, 150 і 220 міліваттах. Виявилося, що QRPN приблизно дорівнює за потужністю теплового шуму на частотах від 100 до 10 кГц, потім тепловий стає домінуючим, але QRPN все ще можна виміряти аж до 2 кГц, де його внесок становить приблизно 20%. Також фізики перевірили залежність QRPN від потужності випромінювання, яка відповідала передбачуваною теорією квадратичною.
Пошук гравітаційних хвиль є прикладом вимірювань дуже малих величин, тому для впевненої реєстрації необхідний облік безлічі факторів, а спотворити дані можуть найнесподіваніші причини. Наприклад, гравітаційні хвилі можуть перешкодити атмосфера і навіть птахи. Тим не менш, фізики значно просуваються в плані обліку різних шумів. Про революційність відкриття гравітаційних хвиль ми писали в матеріалі «За хвилею хвиля».