引力波探测器LIGO超越了量子极限！

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发布时间：2023-10-24

2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到一对相撞黑洞产生的引力波——空间和时间碎片，创造了历史。

从那时起，LIGO和它在欧洲的姊妹探测器“处女座”(Virgo)已经探测到了来自数十个黑洞合并以及一类相关的恒星残余物（中子星）碰撞的引力波。LIGO成功的核心在于它能够测量时空结构的拉伸和挤压：其尺度比人的头发还要小一万万亿倍。

尽管这些测量物质微小得难以理解，但LIGO的精度仍然受到量子物理定律的限制。在非常微小的亚原子尺度上，虚空中充满了微弱的量子噪声“噼啪声”，这干扰了LIGO的测量，限制了天文台的灵敏度。

现在，LIGO的研究人员在《物理评论X》(Physical Review X)上发表了一篇论文，报告了一种名为“挤压”(squeezing)的量子技术的重大进展，该技术允许他们绕过这一限制、测量LIGO探测到的整个引力频率范围内的时空起伏。

这种新的“频率相关挤压”技术自2023年5月LIGO恢复运行以来一直在运行，这意味着探测器现在可以探测到更大的宇宙体积，预计探测到的并合比以前多60%。这大大提高了LIGO研究撼动时空的奇异事件的能力。

要点一览

- 量子噪声一直是限制LIGO测量的一个因素，由于亚原子尺度的量子物理学的不可预测性，限制了它的灵敏度。

- LIGO的研究人员引入了一种名为“频率相关挤压”的新量子技术，绕过了这一限制，实现了对LIGO全部可探测引力频率范围的测量。

- 这项新技术自5月份开始运行，预计将使探测次数增加约60%，从而增强LIGO研究影响时空的宇宙事件的能力。

- 这一量子突破不仅推进了引力波探测，还为未来的量子技术和基础物理实验带来了潜力。

Key takeaways

麻省理工学院、加州理工学院和其他大学的LIGO研究人员报告说，他们在量子挤压方面取得了重大进展，可以测量LIGO探测到的整个引力频率范围内的时空起伏。下面是在LIGO的真空室中产生挤压光的技术。这张照片是从真空室的一个视口拍摄的，当时挤压器正在运行，并用绿光进行泵送。

量子物理定律决定了包括光子在内的粒子会随机地进出空洞，从而产生背景嘶嘶声的量子噪声，这给LIGO基于激光的测量带来了一定程度的不确定性。量子挤压(Quantum squeezing)起源于20世纪70年代末，是一种消除量子噪声的方法，或者更具体地说，是一种将噪声从一个地方推到另一个地方的方法，目的是进行更精确的测量。

所谓“挤压”，是指光可以像气球动物一样被操纵。要制作一只狗或长颈鹿，人们可能会把长气球的一部分捏到一个位置精确的小关节上。但是，气球的另一端会膨胀到一个更大、不那么精确的尺寸。同样，光也可以被挤压得更加精确，比如它的频率，但结果却是它的另一个特性变得更加不确定，比如它的功率。这种限制是基于量子力学的一个基本定律，即不确定性原理，该原理指出，你无法同时知道物体的位置和动量（或光的频率和功率）。

自2019年以来，LIGO的双探测器一直在对光进行挤压，以提高它们对所探测到的引力波高频范围的灵敏度。但是，就像挤压气球的一边会导致另一边膨胀一样，挤压光也是有代价的。通过使LIGO的测量在高频时更加精确，测量在低频时就变得不那么精确了。

现在，LIGO的新型频率依赖性光腔——约有三个足球场长的长管，允许研究小组根据引力波的频率以不同的方式挤压光线，从而降低整个LIGO频率范围内的噪声。

LIGO团队成员、加州理工学院物理学教授拉纳·阿迪卡里(Rana Adhikari)说：“以前，我们必须选择我们希望LIGO更精确的位置，现在我们可以吃蛋糕了。我们早就知道如何写下方程式来实现这一目标，但直到现在我们才清楚我们是否能真正实现这一目标。这就像科幻小说一样。“

每个LIGO设施都由两个4公里长的臂组成，连接起来形成一个L形。激光束从每条臂上射下来，打在巨大的悬浮镜面上，然后又回到起点。当引力波掠过地球时，会导致LIGO的臂伸展和挤压，从而使激光束不同步。这会导致两束光以特定的方式相互干扰，从而揭示出引力波的存在。

基本干涉仪的设计图

LIGO利文斯顿(LLO)真空管的暴露部分

然而，封装LIGO激光光束的真空管内潜藏的量子噪声会以微小的量改变光束中光子的时间。麦卡勒将激光中的这种不确定性比作一罐BB弹。

“想象一下，把一罐BB弹倒掉。它们全部落在地上，发出咔嗒咔嗒的独立声响。BB弹随机撞击地面，产生噪音。”他在接受加州理工学院采访时说：“光子就像BB一样，在不规则的时间撞击LIGO的反射镜。”

麦卡勒说：“自2019年起开始使用的挤压技术使光子更有规律地到达，就像光子手拉手而不是独立旅行一样。我们的想法是让光的频率（或时间）更加确定，而振幅（或功率）不那么确定，以此来抑制光子的类似BB的效应。”

要做到这一点，需要借助专门的晶体，这种晶体本质上是把一个光子变成一对能量较低的两个纠缠（连接）光子。晶体并不直接挤压LIGO激光束中的光，而是挤压LIGO管道真空中的杂散光，这些光与激光束相互作用，间接挤压激光束中的光。

“光的量子性质造成了问题，但量子物理学也给了我们解决方案。”巴索蒂说。

“挤压”本身的概念可以追溯到20世纪70年代末，始于已故俄罗斯物理学家弗拉基米尔·布拉金斯基、加州理工学院理查德·P·费曼理论物理学荣誉教授基普·索恩和新墨西哥大学荣誉教授卡尔顿·卡夫斯的理论研究。

研究人员一直在思考基于量子的测量和通信的极限，这项工作启发了加州理工学院威廉·瓦伦丁物理学荣誉教授H. 杰夫·金布尔于1986年首次进行的挤压实验演示

2002年，研究人员开始考虑如何在LIGO探测器中挤压光线；2008年，在加州理工学院的40米测试设备上首次实现了该技术的实验演示。2010年，麻省理工学院的研究人员开发了LIGO挤压器的初步设计，并在LIGO的汉福德站点进行了测试。与此同时，在德国GEO600探测器上进行的工作也让研究人员相信，挤压装置是可行的。九年后的2019年，经过多次试验和团队的精心合作，LIGO首次开始挤压光。

希拉·德怀尔(Sheila Dwyer)说：“我们经历了很多故障排除。”她从2008年开始参与这个项目，先是在麻省理工学院读研究生，然后从2013年开始在LIGO汉福德天文台担任科学家。她说：“挤压技术最早出现在20世纪70年代末，但我们花了几十年时间才把它做对。”

然而，如前所述，“挤压”也是有代价的。通过将量子噪声从激光的时间或频率中移出，研究人员将噪声置于激光的振幅（功率）中。功率更大的激光束会推动LIGO的重型反射镜，从而产生与较低引力波频率相对应的隆隆声。这些隆隆声掩盖了探测器感应低频引力波的能力。

麻省理工学院研究生、这项新研究的四位共同第一作者之一德鲁瓦·加纳帕蒂(Dhruva Ganapathy)说：“尽管我们正在利用挤压技术为我们的系统建立秩序，减少混乱，但这并不意味着我们处处获胜。我们仍然受到物理定律的约束。”

不幸的是，当LIGO团队调高激光器的功率时，这种令人头疼的隆隆声变得更加麻烦。麦卡勒说：“挤压和调高功率都会提高我们的量子传感精度，以至于我们受到量子不确定性的影响。两者都会导致更多光子的推动，从而导致反射镜发出隆隆声。激光功率只是增加了更多的光子，而挤压则会使光子变得更加浑浊，从而导致隆隆作响。”

解决方法是用一种方式挤压高频引力波的光，用另一种方式挤压低频引力波的光。这就像从顶部、底部和两侧来回挤压气球一样。

这是通过LIGO新的频率依赖性挤压腔实现的，它可以控制光波的相对相位，研究人员可以根据引力波的频率范围，有选择地将量子噪声移动到光的不同特征（相位或振幅）中。

LIGO的伙伴天文台Virgo很可能也将在目前的运行过程中使用频率相关挤压技术，该运行将持续到大约2024年底。下一代更大的引力波探测器，如计划中的地面宇宙探测器，也将获得挤压光的好处。

有了新的频率依赖性挤压腔，LIGO现在可以探测到更多的黑洞和中子星碰撞。“我们终于可以利用我们的引力宇宙了，”巴索蒂说：“未来，我们可以进一步提高灵敏度。我想看看我们能把它推进到什么程度。”

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-10-ligo-surpasses-quantum-limit.html

[2]https://par.nsf.gov/biblio/10435873-broadband-quantum-enhancement-ligo-detectors-frequency-dependent-squeezing

[3]https://www.ligo.org/science/GW-IFO.php