去除量子噪音，让引力波探测更上一层楼

原文以Tricks to mute quantum noise aid hunt for gravitational waves为标题

发布在2017年7月12日的《自然》新闻上

原文作者：Elizabeth Gibney

物理学家设法使LIGO和其他引力波探测器更加灵敏。

位于德国汉诺威的GEO600引力波探测器正测试将部署于如LIGO的较大引力波天文台的技术。

引力波天文台有一些地球上最灵敏的探测器，即使是在距离地球数十亿光年之外，大质量黑洞发生碰撞而产生并穿过地球的微弱时空涟漪，它们也能探测到。但是受到基本量子极限的约束，它们难以捕捉更加细微的信号。现在物理学家正想方设法来解决这个问题。他们的目标是能更进一步地窥视宇宙并观测质量不如黑洞的星体（如中子星）发生碰撞的效应。

位于德国汉诺威的GEO600引力波探测器正测试将部署于如LIGO的较大引力波天文台的技术。

DPA Picture Alliance/Alamy

设于美国的先进激光干涉仪引力波天文台（LIGO）已经计划使用光子技术来“压缩”光。这应能使LIGO的灵敏度提高50％。引力波研究界以外的量子物理学家们也纷纷怀着奇思妙想投身于此。在7月份的一期《自然》杂志上，他们描述了一种在理论上能够让探测器灵敏度翻番的技术。

哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的物理学家Eugene Polzik领导了这项最新研究，他说：“我们一直都在急切寻找已经达到量子极限的应用。”

LIGO的量子极限

位于华盛顿州汉福德市和路易斯安那州利文斯顿市的每个LIGO探测器均由两条相互垂直的4公里长的隧道组成，隧道两端均安有镜子。一束激光被分裂后沿着每个隧道来回反弹。引力波会拉伸其中一臂并压缩另一臂。这样，光之后会沿着每个臂行进不同的距离，所以当它们重新组合时，两个光束已不同步。使用这种方法，LIGO可以探测到小至10^–19米的偏移——约为质子宽度的万分之一。

工程师们保护LIGO免受远处卡车隆隆声的影响，并补偿微小的温度涨落。但激光的量子特性会在测量中产生根本的不确定性。科学家们不可能准确地知道到达LIGO探测器的激光束中究竟有多少个光子，从而在距离测量中产生噪音。光子在撞到LIGO的镜子上时也会给镜子施加碰撞的动量。当光子数发生涨落时，它们会使镜子移动不可知的量，从而会增加更多的不确定性。

Polzik和他的团队通过给予光子相反的撞击补偿来绕过后者的限制。在它们的设置中，激光先通过铯原子云，然后撞到它的靶上  ——  一个薄膜，而不是镜子。研究人员人为地倒转了铯原子的原子自旋态，以使穿过薄膜的光子的撞击将原子自旋态翻转到较低的而不是较高的能量状态上。通过从原子云的角度对薄膜位置的测量，两次撞击的效应原则上会完全抵消。在实践中，该技术让他们的团队将不确定性降低34％。

这种方法是振奋人心的，LIGO合作项目成员之一、麻省理工学院的物理学家Nergis Mavalvala说。她还说：“即使它在引力波探测器上的技术应用还没有被广泛探索，但初步计算结果看起来很有前景。”

Polzik的团队现在正在与莫斯科大学和莫斯科附近斯科尔科沃的俄罗斯量子中心合作，以进一步发展这个想法。另外，他们也在与LIGO和马克斯·普朗克引力物理研究所的引力波研究人员讨论这个方法。该研究所正运行一个名为GEO600的更小型的引力波探测器。Polzik说，融合这种技术可能需要五到十年的时间，但它有希望使探测器的灵敏度翻番，这将意味着可探测的宇宙区域将扩大8倍。他还说，“现在这开始听起来像真的了。”

压缩光

LIGO的物理学家正在独立地计划使用一种被称为压缩光的技术来抑制量子噪声。这已经在GEO600中使用了，并在LIGO的早期阶段进行了试用。人们不可能同时降低光子的两个互补特性的不确定性，例如位置和动量。但是，人们有可能通过“压缩”光，以一个维度的不确定性的增加为代价，降低另一个维度的不确定性。

LIGO可以检测高频引力波的精度受到击中LIGO探测器的光子数量的模糊性的限制 — 研究人员可以仅仅压缩这一维度。然而，检测低频波时，限制测量精度的是动量涨落。为了同时降低两种效应的噪声，研究人员需要对不同频率波形的光进行不同的压缩。LIGO计划在未来5年左右，开始使用一种被称为过滤腔的装置来实现这个目的，这样应可以提高LIGO整个检测带的灵敏度。

其他人希望可以有不需要额外设备就能实现上述目的的量子技术。加州理工学院的Yiqiu Ma和他的同事们已经从理论上提出了一种通过纠缠两束光来压缩所有频率的光的方式 — 这意味着它们的属性是内在联系的，因此测量一个光束的不确定性可以预测另一个的不确定性。

努力超越量子测量的极限不仅仅有益于引力波探测器。Polzik表示，“这些研究对于探索量子力学的界限至关重要。”ⓝ

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2015年9月，激光干涉引力波天文台（LIGO）检测到两个合并中的黑洞产生的引力波(GW150914)。研究者预测，地面引力波天文台的设备获得了最佳灵敏度后，每年能探测到1000个黑洞合并事件。

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