LIGO超越量子极限

2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)创造了历史，首次直接探测到由一对黑洞碰撞产生的引力波(时空波纹)。从那时起，LIGO及其在欧洲的姊妹探测器Virgo探测到了来自数十次黑洞合并以及称为中子星的相关恒星残余物之间碰撞的引力波。LIGO成功的核心在于它能够在比人类头发丝小一万万亿倍的尺度上测量时空结构的拉伸和挤压。

尽管这些测量结果小得难以理解，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，真空中充满了微弱的量子噪声，这会干扰LIGO的测量并限制天文台的灵敏度。

现在，LIGO研究人员在《物理评论X》接受发表的一篇论文中报告称，一种名为“挤压”的量子技术取得了重大进展，该技术使他们能够绕过这一限制并测量整个引力频率范围内的时空波动LIGO检测到。

这种新的“频率相关挤压”技术自2023年5月恢复运行以来一直在LIGO运行，这意味着探测器现在可以探测更大的宇宙体积，预计探测到的合并数量比以前多约60%。这极大地增强了LIGO研究震撼空间和时间的奇异事件的能力。

“我们无法控制自然，但我们可以控制我们的探测器，”负责监督新LIGO技术开发的麻省理工学院高级研究科学家丽莎·巴索蒂(LisaBarsotti)说，该项目最初涉及由马特·埃文斯(MattEvans)领导的麻省理工学院的研究实验。物理学教授，以及柯蒂斯和凯瑟琳·马布尔天体物理学教授兼理学院院长NergisMavalvala。目前，这项工作包括来自麻省理工学院、加州理工学院以及位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双LIGO天文台的数十名科学家和工程师。

“这种规模的项目需要多人，从设施到工程和光学，基本上是LIGO实验室的全部范围，其中LIGO科学合作组织做出了重要贡献。这是一项艰巨的工作，但由于疫情而变得更具挑战性，”Barsotti说。

“现在我们已经超越了这个量子极限，我们可以做更多的天文学研究，”加州理工学院物理学助理教授、这项新研究的领导者之一李麦卡勒解释道。“LIGO使用激光和大镜子进行观测，但我们正在以一定的灵敏度进行工作，这意味着该设备会受到量子领域的影响。”

研究结果还对量子计算机和其他微电子学等未来量子技术以及基础物理实验产生影响。“我们可以利用从LIGO中学到的知识，并将其应用于需要以令人难以置信的精度测量亚原子尺度距离的问题，”麦卡勒说。

NSF主任SethuramanPanchanathan表示：“当NSF在20世纪90年代末首次投资建造双LIGO探测器时，我们对观测引力波的潜力充满了热情。”“这些探测器不仅使突破性的发现成为可能，还催生了新技术的设计和开发。这真正体现了NSF的DNA——好奇心驱动的探索与使用启发的创新相结合。通过数十年的持续投资和扩张通过国际合作伙伴关系，LIGO将进一步推动丰富的发现和技术进步。”

量子物理定律规定，包括光子在内的粒子会随机地进出真空，产生量子噪声背景嘶嘶声，给LIGO的激光测量带来一定程度的不确定性。量子压缩起源于20世纪70年代末，是一种消除量子噪声的方法，更具体地说，是将噪声从一个地方推到另一个地方，目的是进行更精确的测量。

挤压一词指的是光可以像气球动物一样被操纵。为了制作一只狗或长颈鹿，人们可以将长气球的一部分捏入一个精确定位的小关节中。但随后气球的另一侧会膨胀到更大、更不精确的尺寸。同样，光的一种特性(例如其频率)可以被压缩得更精确，但结果是它在另一种特性(例如其功率)方面变得更加不确定。这种限制基于称为不确定性原理的量子力学基本定律，该定律指出您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的双探测器一直在压缩光线，以提高其对所探测到的引力波高频范围的灵敏度。但是，就像挤压气球的一侧会导致另一侧膨胀一样，挤压光也是有代价的。通过使LIGO在高频下的测量更加精确，在较低频率下的测量变得不那么精确。

图片来源：麻省理工学院

“在某些时候，如果你进行更多的挤压，你将不会获得太多。我们需要为我们探测引力波的能力的下一步做好准备，”巴索蒂解释道。

现在，LIGO的新型频率相关光学腔(大约三个足球场长的长管)允许团队根据感兴趣的引力波频率以不同的方式挤压光线，从而减少整个LIGO频率范围内的噪声。

“以前，我们必须选择希望LIGO更加精确的位置，”LIGO团队成员、加州理工学院物理学教授拉纳·阿迪卡里(RanaAdhikari)说。“现在我们可以鱼与熊掌兼得。我们已经知道如何写下方程式来实现这一目标已经有一段时间了，但直到现在我们还不清楚我们是否真的可以让它发挥作用。这就像科幻小说一样。”

量子领域的不确定性

每个LIGO设施均由两个​​4公里长的臂组成，它们连接成“L”形。激光束沿着每条手臂传播，击中巨大的悬挂镜子，然后返回到它们开始的地方。当引力波扫过地球时，它们会导致LIGO的手臂拉伸和挤压，从而使激光束不同步。这导致两束光以特定的方式相互干涉，揭示了引力波的存在。

然而，潜伏在LIGO激光束真空管内部的量子噪声可以微小程度地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。

“想象一下倒出一个装满BB的罐子。它们都撞击地面，并独立地发出咔嗒声和咔嗒声。BB随机撞击地面，从而产生噪音。轻光子就像BB一样，不规则地撞击LIGO的镜子，“他在接受加州理工学院采访时说道。

麦卡勒说，自2019年以来实施的压缩技术使“光子到达更加规律，就好像光子手牵着手，而不是独立旅行”。这个想法是让光的频率或时间更加确定，而幅度或功率则不太确定，以此来抑制光子的类似BB效应。

这是在特殊晶体的帮助下完成的，该晶体本质上将一个光子转变为一对具有较低能量的两个纠缠(连接)光子。这些晶体不会直接挤压LIGO激光束中的光线;而是会直接挤压LIGO激光束中的光线。相反，它们会挤压LIGO管真空中的杂散光，并且该光与激光束相互作用，从而间接挤压激光。

“光的量子性质造成了这个问题，但量子物理学也为我们提供了解决方案，”巴索蒂说。

几十年前开始的想法

挤压的概念本身可以追溯到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(VladimirBraginsky)的理论研究;基普·索恩(KipThorne)，加州理工学院理论物理学理查德·费曼(RichardP.Feynman)荣誉教授;和卡尔顿·凯夫斯(CarltonCaves)，新墨西哥大学名誉教授。

研究人员一直在思考基于量子的测量和通信的局限性，这项工作激发了加州理工学院荣誉退休物理学教授H.JeffKimble在1986年进行的第一个挤压实验演示。金布尔将挤压光比作黄瓜;1993年，他在《加州理工学院工程与科学》杂志上发表的一篇文章中写道，光测量的确定性仅被推向一个方向或特征，从而将“量子卷心菜变成了量子黄瓜”。

2002年，研究人员开始思考如何在LIGO探测器中挤压光线，并于2008年在加州理工学院的40米测试设施中实现了该技术的首次实验演示。2010年，麻省理工学院的研究人员开发了LIGO压缩器的初步设计，并在LIGO汉福德站点进行了测试。在德国GEO600探测器上进行的并行工作也让研究人员相信挤压是有效的。九年后的2019年，经过多次试验和仔细的团队合作，LIGO首次开始挤压光线。

“我们经历了很多故障排除，”SheilaDwyer说，她自2008年以来一直致力于该项目，首先是麻省理工学院的研究生，然后从2013年开始成为LIGO汉福德天文台的科学家。“首先想到的是挤压20世纪70年代末，但花了几十年才把它做好。”

好事太多了

然而，如前所述，挤压是需要权衡的。通过将量子噪声移出激光的时间或频率，研究人员将噪声放入激光的振幅(功率)中。然后，更强大的激光束会推动LIGO的重型镜子，产生与较低频率的引力波相对应的隆隆声。这些隆隆声掩盖了探测器感知低频引力波的能力。

麻省理工学院研究生、这项新研究的四位共同主要作者之一DhruvaGanapathy表示：“尽管我们正在利用挤压的方式让我们的系统变得秩序井然，减少混乱，但这并不意味着我们在所有方面都取得了胜利。”。“我们仍然受到物理定律的约束。”该研究的另外三位主要作者是麻省理工学院的研究生WenxuanJia、LIGOLivingston博士后MasayukiNakano和麻省理工学院的博士后VictoriaXu。

不幸的是，当LIGO团队调高激光器功率时，这种麻烦的隆隆声变得更加严重。麦卡勒说：“挤压和提高功率的行为都提高了我们的量子传感精度，使我们受到量子不确定性的影响。”“两者都会导致更多的光子被推动，从而导致镜子发出隆隆声。激光功率只会增加更多的光子，而挤压会使它们更加结块，从而发出隆隆声。”

双赢

解决方案是以一种方式挤压光以处理高频引力波，以另一种方式挤压光以处理低频。这就像在从顶部、底部和侧面挤压气球之间来回挤压。

这是通过LIGO的新型频率相关挤压腔来实现的，该腔控制光波的相对相位，研究人员可以根据光波的频率范围有选择地将量子噪声转移到光的不同特征(相位或振幅)中。引力波。

“确实，我们正在做一件非常酷的量子事情，但真正的原因是这是提高LIGO灵敏度的最简单方法，”Ganapathy说。“否则，我们将不得不打开激光，这有其自身的问题，或者我们将不得不大幅增加镜子的尺寸，这将是昂贵的。”

LIGO的合作伙伴天文台Virgo也可能在当前运行中使用依赖于频率的挤压技术，该运行将持续到大约2024年底。下一代更大的引力波探测器，例如计划中的地面宇宙探测器，将还可以获得挤压光的好处。

凭借其新的频率相关挤压腔，LIGO现在可以检测到更多的黑洞和中子星碰撞。加纳帕西说，他最兴奋的是捕捉到更多的中子星粉碎事件。“通过更多的探测，我们可以观察中子星相互撕裂，并更多地了解里面的情况。”

“我们终于利用了引力宇宙，”巴索蒂说。“未来，我们可以进一步提高我们的灵敏度。我想看看我们能把它推到什么程度。”

该研究的标题是“利用频率相关挤压对LIGO探测器进行宽带量子增强”。许多其他研究人员为挤压和频率相关挤压工作的发展做出了贡献，其中包括麻省理工学院的MikeZucker和加州理工学院的GariLynnBillingsley，他们是“AdvancedLIGOPlus”升级(包括频率相关挤压腔)的领导者;LIGO汉福德天文台的DanielSigg;LIGO利文斯顿实验室的AdamMullavey;以及来自澳大利亚国立大学的DavidMcClelland小组。

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