WLA年度发布 | 量子波动可在宏观尺度上摇动实物，将进一步提升对宇宙的观测能力

  编者按：

今年二月，世界顶尖科学家协会（WLA）首次面向全球发布年度报告。这份主题为《希望之光，疫情下的科学突破》的报告，汇集15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶尖科学家，以引领学科发展的前瞻性视野，深度点评过去一年的科学突破，打造科学界风向标。

WLA年度发布  图 | WLA上海中心

麻省理工学院在2020年用LIGO引力波探测器做出了令人印象深刻的发现——通过压缩真空来超越标准量子极限。它标志着人类在宏观尺度上对超越标准量子极限的操控日趋成熟，将使引力天线能够更加准确地探测到由黑洞和中子星坍缩事件引发的弱信号。同时，这也标志着人类对超越标准量子极限的操控日趋成熟。未来，科学家们可以通过它探索宇宙与时空深处更多未知的地带。

研究背景：

首次测量到宏观物体受量子噪音影响

以量子力学的角度，宇宙是一个嘈杂、噼啪作响的空间，微观粒子不断地进出，形成了一种量子噪音背景。通常而言，这种噪音的影响通常太过细微，无法在日常物体中探测到，然而，来自麻省理工学院的于浩村（Haocun Yu）、李•迈克库勒（Lee McCuller）以及LIGO（激光干涉引力波天文台）实验室团队成员，首次证明了量子尺度相关性可以在重达数十千克的宏观物体上留下痕迹。该项成果在去年7月1日发布于《Nature》杂志。

研究成果发布 图 | Nature

团队研究了LIGO干涉仪发出的激光束与其镜体（每个镜体都重达40千克）之间的细微相互作用。论文第一作者与通讯作者、麻省理工学院物理系研究生、中国学者于浩村（Yu, Haocun）解释说，研究人员使用了自行设计的特殊工具量子挤压器（quantum squeezer），用以“操纵探测器的量子噪声并减少其对反射镜的撞击，从而最终可以提高LIGO在探测引力波方面的灵敏度”。他们观察到，镜体因为辐射噪声而移动了10的负20次方米，这正是海森堡不确定性原理导致的结果。他们在使用激光的压缩真空态时，测量到量子噪声会下降到标准量子极限之下，证明了激光束和镜体之间的量子相关性。这项研究可以提升LIGO、Virgo（室女座干涉仪）以及未来建造的天文台对引力波的观测能力。

顶尖科学家点评：

这一成果对未来的多种测量也十分重要

来自WLA协会的五位物理学诺奖获得者和一位基础物理科学突破奖获得者，结合各自的研究领域与多年的研究经验，对上述研究成果进行了视角独特的点评。

塞尔日·阿罗什

Serge Haroche

2012年诺贝尔物理学奖获得者、WLA会员

在LIGO引力波天线（Antenna）上进行的实验无疑给我留下了深刻的印象。该实验表明非经典压缩态光将进一步改善该机器已非常出色的灵敏度。40公斤的镜子与激光光子的统计量之间存在量子相关性，这一现象本身就是一项重要事件，它将使引力天线能够探测到来于宇宙与时空深处由黑洞和中子星坍缩事件引发的弱信号，因而具有重要的应用价值。

关于单离子的持续量子测量的论文是一个很好的实验，该实验说明了单量子态系统操纵目前所能达到的复杂性和精确性，但是我认为它不是突破性的，因为它遵循了许多其它更早的类似工作。这是2020年量子信息科学取得进步的一个案例，它通过展示适用于量子位的各种量子误差校正方案，以在减轻退相干效应方面取得进展。在同一个领域中，我会引用2020年所开展的多项量子模拟实验，如离子捕获、中性原子阵列和超导量子比特。通过这些实验能开始解决一些棘手的优化问题，例如旅行商问题（最短路径问题）。这些系统还可用于数据分类算法，将量子信息与人工智能研究以某种方式融合在一起，这一点让我很感兴趣。同时，我对涉及激发至里德堡态的中性原子阵列的量子模拟器也特别感兴趣，因为在我整个职业生涯中一直在利用这些原子的显著特性。最后，我对凝聚态物理中兴起的“转角电子学”拓展至光子的研究也有兴趣。光子极化子在由两个薄板转动为魔角的双层结构中传播，类似在双层石墨烯中电子传播中观察到的“摩尔纹”的类似电子效应。它证明了量子光学与凝聚态物理之间不断加强的联系。而在这些介质中光的无衍射和无色散传播可能对成像技术具有广阔的应用前景。

巴里•巴里什

Barry Barish

2017年诺贝尔物理学奖获得者、WLA会员

我特别引以为傲的是，我在麻省理工学院的年轻同事们于2020年用LIGO引力波探测器做出了令人印象深刻的发展——“在大镜子中发现的量子相关性”。LIGO通过引力波考察最长相对尺度对广义相对论的影响，但是测量受到量子尺度对超大型物体（镜）的影响的限制。该观察以最小的距离尺度将物理集合在一起，从而对宏观物体产生影响，并在很大的距离尺度上影响检测引力波的灵敏度。。

魅力无穷的量子波动  图 | invdes

谢尔顿•格拉肖

Sheldon Glashow

1979年诺贝尔物理学奖获得者、WLA会员

2015年，LIGO首次检测到了一对绕轨道运行的黑洞的合并产生的引力波，其中的三名科学家一起分享了2017年诺贝尔物理学奖，以表彰他们对爱因斯坦百年预测的证实。自那以后的五年里，一个灵敏度更高的LIGO与意大利的VIRGO一起，“听到”了大约70个黑洞或中子星双星合并时发出的引力波信号。2020年，LIGO科学合作组织（LSC）观察到了黑洞的产生，黑洞的质量处于之前想象的“太空沙漠”地带，即100至100,000倍太阳质量之间。同样在2020年，LSC观测到一颗退化的恒星，是太阳质量的2.6倍，既高于中子星的预期质量上限，又低于恒星黑洞的预期质量下限。

随着引力波天文学这一新科学的发展，人们还会有更多这样的惊喜。对天文探索至关重要的是LIGO及其后继者日益提高的灵敏度。为此，由Haocun Yu和Lee McCuller领衔的数百名LSC科学家共同合作撰写的文章发表于2020年《自然》杂志，该研究表明，由不确定性原理引起的对干涉仪灵敏度的看似不变的约束可以通过使用压缩态光来缓解。

迈克·科斯特利茨

Mike Kosterlitz

2016年诺贝尔物理学奖获得者、WLA会员

“在大质量反射镜中发现的量子关联”这一主题很重要，因为它似乎是量子力学如何在一个被认为是完全经典的系统中出现的另一个例子。这两个主题很吸引人，因为它们表明量子力学仍有一些基本的方面还不清楚完全理解。这对于我们理解重力波探测的精细测量和理论分析具有重要意义。

沃尔夫冈·科特勒

Wolfgang Ketterle

2001年诺贝尔物理学奖获得者、WLA会员

2020年是物理学令人兴奋的一年，有许多令人印象深刻的发展和突破。作为一名量子科学家，LIGO利用压缩光来增强量子测量的能力给我留下了特别深刻的印象。这个例子告诉我们从一个现象的发现到其应用会花多长时间。在20世纪80年代，这一新现象就已经在实验室里被预测和实现，但它花了30多年才在一个重要的实际应用中发挥作用：压缩光使LIGO的引力波的探测率提高了50%。

在我自己的实验室里，十多年来我们一直在研究自旋物理学，直到2020年，我们才终于获得了许多新的关于冷原子自旋输运的观测结果，从而对磁性材料有了更深入的了解。

查尔斯•班尼

Charles Bennett

2018年基础物理科学突破奖、WLA会员

LIGO是有史以来最伟大的物理实验之一。LIGO的合作首次检测到了引力波，这是阿尔伯特·爱因斯坦在100年前通过广义相对论便预测到了的引力波。由于引力波信号及其微弱，必须仔细设计和构建LIGO装置中的所有元素，因此LIGO本身也经历了40年的艰辛发展。令人惊讶的是，那些镜子被安装得如此精秒，使它们的钟摆运动被其上方闪耀的激光量子波动所支配。根据海森堡不确定性原理——微观粒子的位置与动量不可同时被确定，这使得所有的实验将最终被标准量子极限所限制，当所有其它噪声源被最小化时，将观察到量子噪声。海森堡的不确定性原理无法被打破，但却可以被用来设计实验。通过在互补变量之间反复验证，终于在2020年证明量子噪声下降到标准量子极限以下与反射镜的位置/动量不确定度与其反射的激光的光子数/相位不确定度等相关。这意味着LIGO可能更敏感，但是由于所有实验都具有终极量子限制，因此这一成果不仅对于LIGO至关重要，对未来的多种测量也十分重要。

参考链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/miot-qfc063020.php

延伸阅读