LIGO超越量子极限

2015年，激光干涉仪引力波观测站（LIGO）首次直接探测到由成对碰撞黑洞产生的引力波，或粒子速度和时间，创造了历史从那时起，美国S美国国家科学基金会（NSF）资助的LIGO和欧洲Virgo的辅助探测器已经探测到黑洞之间数十个能量源的引力波，以及最近一类恒星和大规模中子星之间的碰撞在LIGO的访问中，可以测量尺寸小于10毫米、比人类头发小10倍的空间碎片的拉伸和挤压

尽管所有的测量方法都很完善，但LIGO的决策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，空的空间充满了微弱的定量噪声，这干扰了LIGO的测量，并严格显示了观测者的敏感性现在，在我们的《物理评论X》杂志上，LIGO的研究人员报告了一种名为“挤压”的量子技术的显著进步，该技术可以绕过LIGO检测到的整个重力频率范围内的空间时间限制和测量导通

这项新的“频率依赖性压缩”技术自今年5月启动以来一直在LIGO上运行，这意味着该探测器现在可以探测到更大的宇宙体积，预计会比之前探测到大约60%的融合体这大大提高了LIGO研究占用空间和时间的外部事件的能力

“我们不能控制自然，但我们可以控制压力探测器，”麻省理工学院的一位研究科学家LisaBarsotti说，他负责监督新的LIGO技术的开发，该项目最初参与了由物理学教授MattEvans和大学教授KathleenMarble和科学院院长NergisMavalvalvalala领导的麻省理工大学的研究实验现在，他们的工作包括麻省理工学院、加州理工学院的科学家和工程师，以及华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的LIGO观测站

“这个规模的项目需要多个人，从设施到工程和光学——基本上是在LIGO科学合作的重要贡献下，将整个LIGO实验室扩展到LIGO实验室。这是一项巨大的努力，旨在应对疫情带来的更大挑战，”Barsottis说

“既然我们已经超过了这个数量极限，我们就无法进行更多的天文学研究，”加州理工学院物理学助理教授LeeMculler解释道“LIGO是激光和大型反射镜，可以进行观测，但佩戴后会提高对大气的敏感度，并且设备会受到量子域的影响。”

这些结果将为未来的量子计算机和其他微机电技术以及基础物理实验提供分支McCullers说：“我们可以利用我们从LIGO中学到的知识，并将其应用于需要以更高的精度测量亚原子尺度距离的问题。”

NSF董事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，我们对观测重力波的可能性充满热情。”“这些探测器不仅使突破性的发现成为可能，还释放了新技术的设计和发展。这是对国家科学基金会的一次尝试——好奇心驱动下一次探索，同时也激发了创新的灵感。经过几十年的持续投资和国际合作伙伴关系的扩大，LIGO进一步致力于推动新发现和技术进步。”

量子物理定律表明，包括光子在内的粒子将随机地旋转和自动飞行空间，从而产生量子噪声的背景，这给基于LIGO的测量带来了一定程度的不确定性量子压缩起源于20世纪70年代末，是一种抑制量子噪声的方法，更具体地说，是将噪声从一个地方推向另一个地方，目的是实现更精确的测量

术语挤压指的是光可以像气球动物一样繁殖的行为Tomakeadogorgiraffe，一个可能会把长气球的一部分捏成一个精确定位的关节但其他人认为，这个球会膨胀得更大，精度更低类似地，光可以在一个特性（如频率）中被压缩到更精确，但在其他特性（如功率）中，这些特性变得更不确定这个限制是基于量子力学的基本定律，即所谓的量子力学原理，即你不能同时知道物体的位置和时间（或光的频率和功率）

自2019年以来，LIGO绕组检测器一直在挤压光绝缘，以提高其对该检测的重力波高频范围的灵敏度但是，在这种情况下，挤压一个视频会导致另一侧的扩展，挤压光线是有好处的通过使LIGO的测量更精确地测量高频，这些测量可以精确地测量低频

Barsottie解释道：“在某个时候，如果你继续锻炼，你不会有太多收获。我们需要做好准备，以确保检测重力波的可行性。”

现在，LIGO的低频率依赖于实际空腔——比三个基准声场的长度长的管——允许仪器根据感兴趣的重力波的频率无差别地调光，从而降低整个LIGO频率范围内的噪声

“以前，我们必须选择我们想要的LIGO更精确的地方，”加州理工学院物理教授、LIGO团队成员RanaAdhikari说“现在我们可以做得很好。我们知道如何写下完成这项工作的条件，但到目前为止，我们还不知道我们实际上可以做两件事。这就像科幻小说。”

质量中的不确定性

每个照明设备由两个4公里长的连接成“L”形的臂组成激光束扫射了一只手臂，击中了巨大的镜子，然后又回到了他开始的地方由于引力在地球之间移动，它们会导致LIGO的旋转，使激光束同步这导致两个光束中的光以最特定的方式干扰选择，从而显示出引力波的强度

然而，潜伏在LIGO激光束的真空管侧面的烟雾量可以极少量地改变激光束中的光感应强度McCullerliken认为他的不确定性是对CanofB的不确定性

来源:

Materials provided by
Massachusetts Institute of Technology. Original written by Whitney Clavin, Caltech.
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参考:

1. D. Ganapathy et al.
   Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing. Phys. Rev. X (accepted), 2023 [abstract]

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