全球最大的引力波天文台将光压缩到量子极限

发布时间：2023-10-27 11:31:37 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　什么是引力波呢？它们是从宇宙中传播出来的时空波动，和我们在水中被投掷的石块所产生的涟漪有些类似。引力波的概念最早是由法国物理学家昂利·庞加莱在1905年提出的，但他没有

　　什么是引力波呢？它们是从宇宙中传播出来的时空波动，和我们在水中被投掷的石块所产生的涟漪有些类似。引力波的概念最早是由法国物理学家昂利·庞加莱在1905年提出的，但他没有给出具体的数学描述。1916年，阿尔伯特·爱因斯坦基于广义相对论给出了引力波的理论预测，并计算出它们的性质和传播方式1。

　　引力波具有非常重要的意义，因为它们可以让我们探测到一些电磁波无法观测到的天文现象，比如黑洞、中子星、超新星等。2016年2月11日，人类历史上第一次直接探测到引力波，其源自于两个黑洞在合并时产生。那么，科学家们是怎么探测引力波的呢？他们使用了一个叫做激光干涉仪重力波观测台（LIGO）的装置。LIGO由两个巨大的L形探测器组成，每个探测器有两条长达4公里的手臂，里面有两束相同的激光。

　　当引力波穿过地球时，它们会扭曲时空，导致探测器中一个手臂的激光被压缩，另一个手臂的激光被拉伸。这样就会造成两束激光到达探测器的相对路径长度发生微小的变化。通过测量这种变化，科学家们就能知道引力波的存在和特征。不过，要探测到引力波并不容易。因为它们造成的时空扭曲非常微弱，通常只有一个原子核大小的千分之一。所以，LIGO必须非常敏感，才能区分出真正的信号和其他干扰。

　　但是，这也不可避免地带来了一个不可忽视的问题：我们的量子计算机的噪声。量子噪声是由亚原子粒子自发地相互作用产生的随机现象，它会影响激光光的性质，比如功率和频率。高频噪声来自于不断出现和消失的微小粒子。低频噪声来自于反射光粒子撞击镜子而产生的震动。这两种噪声都限制了LIGO能够探测到的引力波的数量和类型。

　　为了解决这个问题，物理学家们想出了一个巧妙的办法：利用海德堡不确定性原理。这个原理说，我们不能同时准确地知道一个粒子的两个物理性质，比如位置和速度。这意味着，在测量激光光时，我们必须在功率和频率之间做出权衡。但这也意味着，我们可以通过牺牲一个性质来增强另一个性质。物理学家们利用一种特殊的晶体，把单个光子或光包分裂成两个纠缠的光子，并对它们进行调节，使得它们背后的不确定度可以按需“压缩”。这就是所谓的“挤压”技术。

　　最近，世界上最大的引力波天文台（LIGO和Virgo）的科学家们创造了一种新型的挤压技术：频率依赖型挤压。这种技术可以根据不同频率对激光光进行不同程度的挤压。在低频下，挤压功率可以减少镜子震动的影响。在高频下，挤压频率可以让信号比量子扰动更明显。这样，就可以同时降低高频和低频的噪声，提高探测器的灵敏度。这种技术有点像捏气球。就像在一端捏住一个气球可以让另一端变得更大一样，我们可以用更大的确定性捏住一个光的性质，来把不确定性转移到另一个性质上。

　　“其实，我们做的是非常酷的量子实验，但真正的目的是，这是提高LIGO灵敏度的最简单的方法，”这项研究的合著者之一，麻省理工学院的研究生Dhruva甘帕西说。“否则，我们就得加强激光器，但激光器也有它自己的问题，或者我们就得增加镜子的尺寸，但那会很贵。”

　　通过使用频率依赖型挤压技术，科学家们希望能够探测到更多和更远的引力波事件，比如中子星和黑洞的碰撞。这些事件不仅能揭示宇宙的奥秘，还能验证爱因斯坦的广义相对论。这是一项具有划时代意义的天文学工作。然而，在过去的几十年里，科学家发现了许多奇怪的现象，其中最著名的是一个神秘的超新星爆炸。

（编辑：成都站长网）

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