23年2023月XNUMX日（Nanowerk新聞) 2015 年，雷射干涉重力波天文台 (LIGO) 創造了歷史，首次直接探測到一對黑洞碰撞產生的重力波或時空漣漪。 此後，美國國家科學基金會 (NSF) 資助的 LIGO 及其在歐洲的姊妹探測器 Virgo 探測到了數十次黑洞合併以及中子星相關恆星殘餘物之間碰撞產生的引力波。 LIGO 成功的核心在於它能夠在比人類頭髮小一兆倍的尺度上測量時空結構的拉伸和擠壓。 儘管這些測量結果小得難以理解，但 LIGO 的精確度仍然受到量子物理定律的限制。 在非常微小的亞原子尺度上，真空中充滿了微弱的量子噪聲，這會幹擾 LIGO 的測量並限制天文台的靈敏度。

關鍵要點

LIGO 於 2015 年歷史性地首次直接探測到重力波，此後，它與歐洲同行 Virgo 一起探測到了無數黑洞合併和中子星碰撞。

量子雜訊一直是 LIGO 測量的限制因素，由於亞原子尺度的量子物理的不可預測性，限制了其靈敏度。

LIGO 研究人員引入了一種名為「頻率相關擠壓」的新型量子技術，可以繞過這一限制，從而能夠在 LIGO 的整個可檢測引力頻率範圍內進行測量。

這項自 60 月開始投入使用的新技術的實施預計將使探測數量增加約 XNUMX%，從而增強 LIGO 研究影響時空的宇宙事件的能力。

這項量子突破不僅推進了重力波探測，也為未來量子技術和基礎物理實驗帶來了潛力。

研究

現在寫在日記裡 物理評論X （「利用依賴頻率的擠壓對LIGO 探測器進行寬頻量子增強」），LIGO 研究人員報告了一種名為「擠壓」的量子技術的重大進展，該技術使他們能夠繞過這一限制並測量整個範圍內的時空波動LIGO 檢測到的引力頻率。

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這種新的「頻率相關擠壓」技術自今年 60 月重新啟動以來一直在 LIGO 運行，這意味著探測器現在可以探測更大的宇宙體積，預計探測到的合併數量比以前多約 XNUMX% 。 這大大增強了 LIGO 研究震撼空間和時間的奇異事件的能力。 「我們無法控制自然，但我們可以控制我們的探測器，」負責監督新LIGO 技術開發的麻省理工學院高級研究科學家麗莎·巴索蒂(Lisa Barsotti) 說，該項目最初涉及由馬特·埃文斯(Matt Evans) 領導的麻省理工學院的研究實驗，物理學教授，以及柯蒂斯和凱瑟琳·馬布爾天文物理學教授兼理學院院長 Nergis Mavalvala。 目前，這項工作包括來自麻省理工學院、加州理工學院以及位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的雙 LIGO 天文台的數十名科學家和工程師。 「這種規模的專案需要多人，從設施到工程和光學——基本上是 LIGO 實驗室的全部工作，其中 LIGO 科學合作組織做出了重要貢獻。 這是一項偉大的努力，但因疫情而變得更具挑戰性。」巴索蒂說。 「現在我們已經超越了這個量子極限，我們可以做更多的天文學研究，」加州理工學院物理學助理教授、這項新研究的領導者之一李·麥卡勒解釋道。 “LIGO 使用雷射和大鏡子進行觀測，但我們正在以一定的靈敏度進行工作，這意味著該設備會受到量子領域的影響。” 研究結果也對量子電腦和其他微電子學等未來量子技術以及基礎物理實驗產生影響。 「我們可以利用從 LIGO 中學到的知識，並將其應用於需要以令人難以置信的精度測量亞原子尺度距離的問題，」麥卡勒說。 「當 NSF 在 1990 世紀 XNUMX 年代末首次投資建造雙 LIGO 探測器時，我們對觀測重力波的潛力充滿了熱情，」NSF 主任 Sethuraman Panchanathan 說道。 「這些探測器不僅使突破性的發現成為可能，而且還激發了新技術的設計和開發。 這確實是 NSF DNA 的典範——好奇心驅動的探索與使用啟發性的創新相結合。 透過數十年的持續投資和擴大國際合作夥伴關係，LIGO 已準備好進一步推動豐富的發現和技術進步。” 量子物理定律規定，包括光子在內的粒子會隨機進出真空，產生量子雜訊背景嘶嘶聲，為 LIGO 的雷射測量帶來一定程度的不確定性。 量子壓縮起源於 1970 世紀 XNUMX 年代末，是一種消除量子雜訊的方法，更具體地說，是將雜訊從一個地方推到另一個地方，目的是進行更精確的測量。 擠壓一詞指的是光可以像氣球動物一樣被操縱。 為了製作一隻狗或長頸鹿，人們可以將長氣球的一部分捏入精確定位的小關節。 但隨後氣球的另一側會膨脹到更大、更不精確的尺寸。 同樣，光的一個特性（例如其頻率）可以壓縮得更精確，但結果是它在另一個特性（例如其功率）上變得更加不確定。 這張壓縮光源的照片是在壓縮器運行並泵送綠光時從腔室的一個視口拍攝的。 （圖片來源：Georgia Mansell/LIGO 漢福德天文台）自 2019 年以來，LIGO 的雙探測器一直在壓縮光線，以提高其對所探測到的引力波高頻範圍的靈敏度。 但是，就像擠壓氣球的一側會導致另一側膨脹一樣，擠壓光也是有代價的。 透過使 LIGO 在高頻下的測量更加精確，在較低頻率下的測量變得不那麼精確。 「在某些時候，如果你進行更多的擠壓，你就不會獲得太多收益。 我們需要為探測重力波能力的下一步做好準備，」巴索蒂解釋。 現在，LIGO 的新型頻率相關光學腔（大約三個足球場長的長管）允許團隊根據感興趣的引力波頻率以不同的方式擠壓光線，從而減少整個 LIGO 頻率範圍內的噪音。 「以前，我們必須選擇希望 LIGO 更加精確的位置，」LIGO 團隊成員、加州理工學院物理學教授 Rana Adhikari 說。 「現在我們可以吃蛋糕並擁有它了。 我們已經知道如何寫下方程式來實現這一點已經有一段時間了，但直到現在我們還不清楚我們是否真的可以讓它發揮作用。 這就像科幻小說一樣。”

量子領域的不確定性

每個 LIGO 設施均由兩個 4 公里長的臂組成，它們連接成“L”形。 雷射光束沿著每條手臂傳播，擊中巨大的懸掛鏡子，然後返回到它們開始的地方。 當重力波掃過地球時，它們會導致 LIGO 的手臂拉伸和擠壓，使雷射光束不同步。 這導致兩束光以特定的方式相互干涉，揭示了重力波的存在。 然而，潛伏在 LIGO 雷射光束真空管內部的量子雜訊可以微小程度地改變光束中光子的時間。 麥卡勒將雷射中的這種不確定性比作一罐 BB。 「想像一下倒出一罐裝滿 BB 的情況。 他們都摔在地上，各自發出咔噠聲和咔噠聲。 BB 隨機撞擊地面，從而產生噪音。 光光子就像 BB 一樣，會在不規則的時間撞擊 LIGO 的鏡子，」他在加州理工學院的採訪中說道。 麥卡勒說，自 2019 年以來實施的壓縮技術使「光子到達更加規律，就好像光子手牽著手，而不是獨立旅行」。 這個想法是讓光的頻率或時間更確定，而幅度或功率則不太確定，以此來抑制光子的 BB 效應。 這是在特殊晶體的幫助下完成的，該晶體本質上將一個光子變成一對兩個糾纏或連接的能量較低的光子。 這些晶體不會直接擠壓 LIGO 雷射光束中的光線；而是會直接擠壓 LIGO 雷射光束中的光線。 相反，它們會擠壓 LIGO 管真空中的雜散光，並且該光與雷射束相互作用，間接擠壓雷射。 「光的量子性質造成了這個問題，但量子物理學也為我們提供了解決方案，」巴索蒂說。

幾十年前開始的想法

擠壓的概念本身可以追溯到 1970 世紀 1986 年代末，始於已故俄羅斯物理學家弗拉基米爾·布拉金斯基 (Vladimir Braginsky) 的理論研究； 索恩 (Kip Thorne)，加州理工學院理論物理學理查德費曼 (Richard P. Feynman) 榮譽教授； 和卡爾頓·凱夫斯（Carlton Caves），新墨西哥大學榮譽教授。 研究人員一直在思考基於量子的測量和通訊的局限性，這項工作激發了加州理工學院榮譽退休物理學教授 H. Jeff Kimble 在 XNUMX 年進行的第一個擠壓實驗演示。 金布爾將擠壓光比喻為黃瓜； 他將光測量的確定性推向一個方向或特徵，將「量子捲心菜變成量子黃瓜」。 在一篇文章中寫道 在加州理工學院的 工程與科學 1993 年的雜誌。2002 年，研究人員開始考慮如何在 LIGO 探測器中擠壓光線，2008 年，該技術的首次實驗演示在加州理工學院的 40 公尺測試設施中實現。 2010 年，麻省理工學院的研究人員開發了 LIGO 壓縮器的初步設計，並在 LIGO 漢福德站點進行了測試。 在德國 GEO600 探測器上進行的平行工作也讓研究人員相信擠壓是有效的。 九年後的 2019 年，經過多次試驗和仔細的團隊合作，LIGO 首次開始擠壓光線。 「我們經歷了很多故障排除，」 Sheila Dwyer 說，她自 2008 年以來一直致力於該項目，首先是麻省理工學院的研究生，然後從 2013 年開始成為 LIGO 漢福德天文台的科學家。1970 世紀XNUMX年代末，但花了幾十年才把它做好。”

太好了

然而，如前所述，擠壓是需要權衡的。 透過將量子雜訊移出雷射的時間或頻率，研究人員將雜訊放入雷射的振幅或功率中。 然後，更強大的雷射光束會推動 LIGO 的重型鏡子，產生與較低頻率的引力波相對應的隆隆聲。 這些隆隆聲掩蓋了探測器感知低頻重力波的能力。 麻省理工學院研究生、這項新研究的四位共同主要作者之一Dhruva Ganapathy 表示：「儘管我們正在利用擠壓的方式讓系統變得秩序井然，減少混亂，但這並不意味著我們在所有方面都取得了勝利。 」。 “我們仍然受到物理定律的約束。” 研究的另外三位主要作者是麻省理工學院的研究生 Wenxuan Jia、LIGO Livingston 博士後 Masayuki Nakano 和麻省理工學院的博士後 Victoria Xu。 不幸的是，當 LIGO 團隊調高雷射功率時，這種麻煩的隆隆聲變得更加嚴重。 麥卡勒說：“擠壓和提高功率的行為都提高了我們的量子感測精度，使我們受到量子不確定性的影響。” 「兩者都會引起更多的光子推動，從而導致鏡子發出隆隆聲。 雷射功率只是增加了更多的光子，而擠壓則使它們變得更加結塊，從而發出隆隆聲。”

雙贏

解決方案是以一種方式擠壓光以處理高頻重力波，以另一種方式擠壓光以處理低頻。 這就像在從頂部、底部和側面擠壓氣球之間來回擠壓。 這是透過 LIGO 的新型頻率相關擠壓腔來實現的，該腔控制光波的相對相位，研究人員可以根據光波的頻率範圍選擇性地將量子雜訊轉移到光的不同特徵（相位或振幅）。重力波。 「確實，我們正在做一件非常酷的量子事情，但真正的原因是這是提高 LIGO 靈敏度最簡單的方法，」Ganapathy 說。 “否則，我們將不得不打開激光，這有其自身的問題，或者我們將不得不大幅增加鏡子的尺寸，這將是昂貴的。” LIGO 的合作夥伴天文台 Virgo 也可能在目前運作中使用依賴頻率的擠壓技術，該運行將持續到大約 2024 年底。 下一代更大的重力波探測器，例如計劃中的地面宇宙探測器，也將受益於壓縮光。 憑藉其新的頻率相關擠壓腔，LIGO 現在可以檢測到更多的黑洞和中子星碰撞。 加納帕西說，他最興奮的是捕捉到更多的中子星粉碎事件。 “透過更多的探測，我們可以觀察中子星相互撕裂，並更多地了解裡面的情況。” 「我們終於可以利用重力宇宙了，」巴索蒂說。 「未來，我們可以進一步提高我們的靈敏度。 我想看看我們能把它推到什麼程度。” 《物理評論 X》研究的標題是「利用依賴頻率的擠壓對 LIGO 探測器進行寬頻量子增強」。 許多其他研究人員為擠壓和頻率相關擠壓工作的發展做出了貢獻，其中包括麻省理工學院的Mike Zucker 和加州理工學院的GariLynn Billingsley，他們是“Advanced LIGO Plus”升級（包括頻率相關擠壓腔）的負責人； LIGO 漢福德天文台的 Daniel Sigg； LIGO 利文斯頓實驗室的 Adam Mullavey； 以及來自澳洲國立大學的 David McClelland 小組。 LIGO-Virgo-KAGRA 合作組織在美國、義大利和日本運作一個重力波探測器網路。 LIGO 實驗室由加州理工學院和麻省理工學院運營，並由美國國家科學基金會 (NSF) 資助，其中包括來自德國（馬克斯普朗克學會）、英國的先進 LIGO 探測器 （科學技術設施委員會）和澳洲（澳洲研究委員會）。 Virgo 由歐洲重力天文台 (EGO) 管理，並由法國國家科學研究中心 (CNRS)、義大利國家原子能研究所 (INFN) 和國家亞原子物理研究所 (Nikhef) 資助在荷蘭。

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