量子涨落可以摇动人类尺度上的物体

从量子力学的角度来看，宇宙是一个嘈杂的、噼啪作响的空间，粒子在其中不停地闪现，创造出一个量子噪声的背景，其影响通常太过微妙，在日常物体中难以察觉。

现在，由麻省理工学院LIGO实验室的研究人员领导的一个团队首次测量了量子涨落对人类尺度物体的影响。今天发表在自然杂志上,研究者们报告观察,量子涨落,微小的可能,还是能够“踢”重达40公斤物体一样大的镜片的美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO),使它们移动微小的程度,团队能够测量。

事实证明，LIGO探测器中的量子噪声足以使大镜片移动10-20米——这是量子力学预测的这种尺寸物体的位移，但之前从未被测量过。

“氢原子的长度是10-10米，所以镜子的位移对于氢原子来说就像氢原子对于我们一样——而且我们测量了这一点，”麻省理工学院天体物理和空间研究Kavli研究所的研究员Lee McCuller说。

研究人员使用了一种他们设计的特殊仪器，叫做量子挤压器，来“操纵探测器的量子噪音，减少它对镜子的冲击，以一种最终可以提高LIGO探测引力波的灵敏度的方式，”麻省理工学院物理学研究生Haocun Yu解释说。

“这个实验的特别之处在于，我们已经看到了量子效应在像人一样大的物体上发生，”麻省理工学院物理系副主任、大理石教授Nergis Mavalvala说。“我们也一样，在我们存在的每一纳秒里，都被这些量子涨落踢来踢去，冲击着。只是我们存在的抖动，我们的热能，太大了，这些量子真空涨落无法测量地影响我们的运动。利用LIGO的反射镜，我们做了所有的工作来将它们与热驱动运动和其他力隔离开来，所以它们现在仍然足够被量子涨落和这个可怕的宇宙爆米花踢来踢去。”

Yu, Mavalvala, McCuller，麻省理工学院的研究生Maggie Tse和首席研究科学家Lisa Barsotti，以及LIGO科学合作的其他成员共同撰写了这篇新论文。

一个量子踢

LIGO被设计用来探测数百万到数十亿光年之外的大灾难源到达地球的引力波。它由一对探测器组成，一个位于华盛顿的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器都是一个l形干涉仪，由两个4公里长的隧道组成，隧道末端挂着一个40公斤重的镜子。

为了探测引力波，位于LIGO干涉仪输入端的一束激光向探测器的每个隧道发送一束光，然后从远端的镜子反射回来，再回到起点。在没有引力波的情况下，激光会在同一时间返回。如果引力波通过，它会短暂地干扰镜片的位置，从而影响激光到达的时间。

为了保护干涉仪不受外部噪音的干扰，已经做了很多工作，这样探测器就有更好的机会挑选出入射引力波所产生的极其细微的干扰。

Mavalvala和她的同事们想知道，LIGO是否也足够灵敏，以至于该仪器甚至能感受到更微妙的效应，比如干涉仪本身的量子涨落，特别是在LIGO激光器的光子中产生的量子噪声。

“激光中的量子涨落可以产生一种辐射压力，这种压力实际上可以踢向一个物体，”麦卡勒补充道。“在我们的案例中，这个物体是一个40公斤重的镜子，比其他研究小组测量出量子效应的纳米尺度物体重10亿倍。”

噪音压榨机

为了观察他们是否能够测量LIGO的巨大反射镜对微小量子波动的反应，该团队使用了他们最近建造的干涉仪的附加设备，他们称之为量子挤压器。有了挤压器，科学家们可以在LIGO干涉仪内调整量子噪声的性质。

该团队首先测量了LIGO干涉仪的总噪声，包括背景量子噪声，以及“经典”噪声，即日常振动产生的干扰。然后，他们打开压缩器，并将其设置为特定的状态，以专门改变量子噪声的性质。在数据分析过程中，他们能够去除经典噪声，从而分离出干涉仪中的纯量子噪声。当探测器持续监测镜子对任何传入噪音的位移时，研究人员能够观察到仅仅量子噪音就足以使镜子位移10-20米。

Mavalvala指出，测量结果与量子力学的预测完全一致。她说:“但看到它在如此大的一部电影中得到证实，还是很了不起的。”

更进一步，研究小组想知道他们是否可以操纵量子压缩器来降低干涉仪内的量子噪声。压缩器的设计是这样的，当它被设置为特定状态时，它“压缩”量子噪声的某些特性，在这种情况下，就是相位和振幅。相位涨落可以被认为是由光传播时间的量子不确定性引起的，而振幅涨落将量子踢到镜面上。

“我们认为量子噪声沿不同的轴分布，我们试图减少某些特定方面的噪声，”于说。

当压缩器处于一定状态时，例如压缩或缩小相位的不确定度，同时膨胀或增大振幅的不确定度。以不同角度压缩量子噪声会在LIGO探测器内产生不同的相位和振幅比噪声。

研究小组想知道，如果改变这种压缩的角度，是否会在LIGO的激光器和反射镜之间产生量子关联，而这种关联也是他们可以测量的。为了验证他们的想法，研究小组将压缩器设置为12个不同的角度，结果发现，他们确实可以测量激光中量子噪声的不同分布与反射镜运动之间的相关性。

通过这些量子关联，研究小组能够将量子噪声以及由此产生的镜像位移压缩到正常水平的70%。顺便说一下,这个测量标准低于所谓的量子限制,而在量子力学中,州一个给定数量的光子,或者,在LIGO的案例中,一定程度的激光功率,预计将产生某种最低限度的量子涨落,将生成一个特定的“踢”任何对象的路径。

通过在LIGO测量中使用压缩光来减少量子噪声，该团队已经使测量比标准量子极限更精确，在某种程度上减少了噪声，这将最终帮助LIGO探测更微弱、更遥远的引力波源。

这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会。