LIGO超越量子极限

2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次直接探测到由成对的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的入口处，可以测量比人类头发小10倍和万亿倍的空间-时间结构的拉伸和挤压

尽管所有的测量都是综合性的，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PhysicalReviewX中，LIGO搜索者报告了一种称为“挤压”的量子技术的显著进步，该技术允许人们绕过LIGO检测到的整个重力频率范围内的空间-时间的限制和测量导通关系

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，预计会探测到比之前多60%的聚变这大大提高了LIGO研究占用空间和时间的外部冰事件的能力

“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，他监督了新LIGO技术的发展，该项目最初参与了由物理学教授MattEvans和学院院长KathleenMarble教授NergisMavalvalvala领导的麻省理工大学的研究实验现在的工作包括麻省理工学院、加州理工学院和华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的LIGO观测站的数十名科学家和工程师

“这一规模的目标需要多个人，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，对LIGO实验室的全面扩展。这是一项巨大的努力，旨在应对疫情带来的更多挑战，”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，也是这项新研究的负责人之一“LIGO是激光和大镜子，可以进行观测，但佩戴后会增加对大气的敏感度，并且设备会受到量子领域的影响。”

这些结果对未来的量子计算机和其他微机电等量子技术以及基础物理实验都有分支McCullers说：“我们可以从LIGO中学到什么，并将其应用于需要以越来越高的精度测量亚原子尺度距离的问题。”

NSF董事Sethuraman Panchanathan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。这是对自然科学基金会的一个很好的借鉴——好奇心驱动下一次部署，同时也激发了创新的灵感。通过十年的持续投资和国际合作伙伴关系的扩大，LIGOI进一步致力于推进新发现和技术进步。”

量子物理定律表明，包括光子在内的粒子将随机地在自己的空间中旋转，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

术语挤压是指光可以像气球动物一样繁殖的行为Tomakeadogorgiraffe，一个人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的想法是，气球会膨胀到更大、更不精确的尺寸类似地，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一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数量（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，以提高其对上述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个视频的扩展，挤压光线是有优先权的通过使LIGO的测量更精确地测量高频，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节光，从而减少整个LIGO频率范围内的噪声

“之前，我们必须选择我们想要的LIGO更精确的位置，”加州理工学院物理专家、LIGO团队成员RanaAdhikari说“现在我们可以开始工作了。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，击中了巨大的反射镜，然后返回到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通道，从而显示出引力波的强度

然而，在LIGO激光束的情况下，潜伏在真空管侧面的烟雾量可以极少量地改变光束中的光感应强度McCullerliken对CanofB的不确定性表示怀疑

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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