“量子壓縮”升級(jí)LIGO 人類天文學(xué)開啟了“引力波時(shí)代”

2015年9月，位于美國(guó)的激光干涉重力波觀測(cè)儀(LIGO)首次探測(cè)到引力波，驗(yàn)證了愛因斯坦提出的“百年猜想”，人類天文學(xué)開啟了“引力波時(shí)代”。

日前，來自麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、澳大利亞國(guó)立大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》撰文披露，他們?yōu)長(zhǎng)IGO安裝了名為“量子真空壓縮器”的神秘武器，使其探測(cè)能力顯著提升。據(jù)麻省理工學(xué)院官方報(bào)道，今年4月以來，在該設(shè)備的“加成”下，LIGO已經(jīng)數(shù)十次捕獲引力波信號(hào)。

量子噪聲干擾LIGO測(cè)量

LIGO使用“L”型的探測(cè)器來感知引力波。每個(gè)探測(cè)器由兩個(gè)2.5英里(約4公里)長(zhǎng)、相互垂直的“長(zhǎng)臂”——真空管組成。光源發(fā)射一束激光，經(jīng)過分光鏡后分成兩半，各自進(jìn)入一條長(zhǎng)臂，并通過其末端的反射鏡反射后原路返回。

根據(jù)激光干涉原理，這兩束同時(shí)返回的激光將相互抵消，探測(cè)器接收不到信號(hào)。但當(dāng)引力波撞擊地球時(shí)，它會(huì)扭曲時(shí)空——短暫地使LIGO“一條胳膊長(zhǎng)、一條胳膊短”，這種有節(jié)奏的拉伸和擠壓變形一直持續(xù)到引力波通過為止。此時(shí)，兩束激光無法同時(shí)返回，不會(huì)相互抵消，探測(cè)器將接收到返回的閃光信號(hào)。

但是，“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。正如麻省理工學(xué)院研究生、論文主要作者瑪吉·謝所說，激光并非連續(xù)的光流，而是由單個(gè)光子組成的嘈雜列隊(duì)，每個(gè)光子都受到真空波動(dòng)的影響。光子平均“準(zhǔn)時(shí)”到達(dá)探測(cè)器，但有些很早，有些很晚，形成一條有一定寬度的“鐘形曲線”。

當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，LIGO手臂的長(zhǎng)度變化不到質(zhì)子寬度的萬分之一。探測(cè)系統(tǒng)要足夠敏感才能準(zhǔn)確測(cè)量激光信號(hào)，這導(dǎo)致部分未準(zhǔn)時(shí)到達(dá)的光子也會(huì)造成閃光，產(chǎn)生假的引力波信號(hào)，這就是所謂的“量子噪聲”。

為了避免“報(bào)假警”，LIGO設(shè)定只有手臂長(zhǎng)度變化超出量子噪聲范圍才判斷為引力波到來，這無疑限制了它對(duì)距離更遠(yuǎn)、強(qiáng)度更弱的引力波探測(cè)。

量子壓縮減小量子噪聲

量子壓縮是20世紀(jì)80年代提出的概念，其基本思想是量子真空噪聲可以表示為沿相位和振幅兩個(gè)主軸的不確定性球。這個(gè)球體就像一個(gè)應(yīng)力球，可以被壓縮。假如沿相位軸收縮球體，相位狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)時(shí)間的不確定性將減小，但振幅狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)數(shù)量的不確定性將增加。

由于時(shí)間不確定性是LIGO量子噪聲的主要影響因素，所以，沿相位方向壓縮可以使探測(cè)器對(duì)引力波更加敏感。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)從15年前就開始設(shè)計(jì)“量子真空壓縮器”，以揭示更微弱、更遙遠(yuǎn)的引力波信號(hào)。2010年，早期的壓縮器在位于漢福德的探測(cè)器上進(jìn)行測(cè)試，取得了一定的效果。

之后，研究人員逐步改進(jìn)“量子真空壓縮器”。其核心是一個(gè)光學(xué)參量振蕩器，它是一個(gè)蝴蝶結(jié)形狀的裝置，中心是一小塊晶體，四周由反射鏡包圍。激光通過晶體原子時(shí)，其光子的振幅和相位將重新排列，以達(dá)到“壓縮”真空，減小光子到達(dá)時(shí)間波動(dòng)的目的。

安裝“量子真空壓縮器”后，LIGO的探測(cè)距離延長(zhǎng)15%、超過4億光年，引力波的發(fā)現(xiàn)速度有望提高50%，達(dá)到每周都可能發(fā)現(xiàn)新引力波的階段。LIGO的“同事”、位于意大利的“處女座”(Virgo)引力波探測(cè)器也已經(jīng)安裝類似設(shè)備，探測(cè)距離提高5%—8%，引力波發(fā)現(xiàn)速度增加16%—26%。此外，壓縮器有助于精確定位引力波源的位置，方便天文學(xué)家進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)。

麻省理工學(xué)院卡弗里天體物理學(xué)與空間研究所首席科學(xué)家麗莎·巴索蒂透露，由于此次改進(jìn)，LIGO的下一次升級(jí)可以將引力波探測(cè)速度提高5倍以上。

關(guān)鍵詞： 量子壓縮 LIGO