Гравитационно-волновые обсерватории напоминают чуткое ухо, прислушивающееся к далёким раскатам космических катастроф. Чтобы расслышать слабый шёпот сливающихся чёрных дыр, детекторы гравитационных волн используют специально приготовленный свет — его называют сжатым вакуумом. Этот свет подавляет естественный квантовый шум, позволяя приборам заглянуть за стандартный квантовый предел.

Однако у такого подхода есть ахиллесова пята: нестабильность фазы (проще говоря, дрожание световой волны) снижает эффективность. Сжатый вакуум работает идеально, только когда потери света невелики, а фаза стабильна. Но в реальности всегда есть небольшие потери — скажем, 5% фотонов теряется — и фазовый шум, например, 200 миллирадиан. В этих условиях авторы работы решили поискать более устойчивые квантовые состояния.

С помощью численной оптимизации учёные прочесали ландшафт потерь и фазового шума, чтобы найти состояния, превосходящие любые гауссовы (обычные, «колоколообразные» в математическом смысле). И нашли три класса таких состояний-невидимок: похожие на фоковские (с определённым числом фотонов), похожие на кубическую фазу и состояния с дискретной вращательной симметрией. При среднем числе фотонов во входном пучке не более пяти эти нестандартные состояния дают выигрыш до 2,2 децибела — примерно на 65% лучше по чувствительности.

Любопытно, что преимущество негауссовых состояний сохраняется, даже когда для измерений применяют самый простой метод — гомодинное детектирование (по сути, измерение одной квадратуры поля). Значит, новый подход не требует сверхсложной аппаратуры. Детекторы будущего смогут улавливать ещё более тихие сигналы из глубин Вселенной, будь то гравитационные волны или что-то иное.