Физики из Венского университета впервые измерили скорость вращения Земли с помощью квантово «запутанных» фотонов. На удивление, такой метод оказался в тысячу раз точнее, чем традиционный — с помощью частиц света внутри интерферометра Саньяка. Выяснилось, что скорость движения нашей планеты вокруг своей оси составляет 452 м/с с незначительной погрешностью.
Для измерения скорости вращения Земли с начала прошлого века ученые используют интерферометр Саньяка — специальный прибор, который проводит измерения с помощью света. Полупрозрачная пластинка-делитель «режет» свет на два луча, которые двигаются по кругу в противоположные стороны и сводятся зеркалами обратно. При вращении одному лучу света приходится проходить более длинный путь, чем другому, что приводит к разнице хода, которая и позволяет измерить угловую скорость.
Ученые из Венского университета разработали свой вариант прибора. Вместо обычных лазеров для своей работы он использует источники одиночных фотонов, способных генерировать «запутанные» пары частиц света. Квантовая запутанность — это явление, при котором квантовое состояние двух фотонов взаимосвязано: при изменении состояния одного моментально изменяется состояние и другого. Исследователи решили, что принцип можно использовать для повышения точности измерений вращения Земли примерно в тысячу раз.
Прибор представляет собой источник запутанных фотонов, подключенный к 2-километровым сегментам из оптоволокна, намотанным на огромную алюминиевую раму и соединенным между собой переключателем, который заставляет частицы света в каждом из колец двигаться в том или ином направлении.
Во время проведения эксперимента с новым инструментом, ученые в течение нескольких часов сохраняли низкий уровень шума — так им удалось обнаружить пары «запутанных» фотонов. В оригинальном интерферометре Саньяка две частицы движутся в противоположных направлениях и достигают начальной точки в разное время. В случае с двумя «запутанными частицами» все происходит по-другому: они ведут себя так, как будто одна частица двигается в двух направлениях одновременно, при этом временная задержка вдвое больше.
Измерить таким способом вращение Земли оказалось непросто, в первую очередь по той причине, что исследователям нужно было определить точку отсчета. «Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя», — пояснили авторы работы.
Переключатель позволил физикам снизить влияние вращения Земли на работу интерферометра. Согласно полученным данным, скорость движения нашей планеты вокруг своей оси составляет 452 м/с небольшой погрешностью — около 30 м/с. Таким образом, им удалось впервые провести замеры, опираясь только на квантовые свойства фотонов. Исследователи надеются, что в будущем точность измерений будет расти благодаря совершенствованию квантовых интерферометров. Это значит, что приборы смогут определять характеристики не только Земли, но и других квантовых объектов в искривленном пространстве-времени.
Ранее астрофизики измерили скорость вращения черной дыры, опираясь на сведения об аккреционном диске. Показатель оказался на уровне примерно четверти от скорости света, что достаточно медленно для такого массивного объекта.