LIGO超越量子极限

2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）创造了历史，首次直接探测了由一对碰撞黑洞产生的引力波或空间和时间上的涟漪。从那时起，美国国家科学基金会（NSF）资助的LIGO及其在欧洲的姊妹探测器Virgo已经探测到黑洞之间数十次合并的引力波，以及一类称为中子星的相关恒星残骸之间的碰撞。LIGO成功的核心是它能够测量时空结构的拉伸和挤压，其尺度比人类头发小1万亿倍。

尽管这些测量值小得令人难以理解，但LIGO的精度仍然受到量子物理定律的限制。在非常小的亚原子尺度上，空旷的空间充满了微弱的量子噪声噼啪声，这干扰了LIGO的测量并限制了天文台的灵敏度。现在，LIGO研究人员在《 物理评论X》杂志上撰文，报告了一种称为“挤压”的量子技术的重大进步，该技术使他们能够绕过这个极限，并测量LIGO探测到的整个引力频率范围内的时空波动。

这种新的“频率依赖挤压”技术自今年五月重新开启以来一直在LIGO运行，这意味着探测器现在可以探测更大的宇宙体积，预计探测到的合并量将比以前多60%。这大大提高了LIGO研究震动空间和时间的奇异事件的能力。

“我们无法控制自然，但我们可以控制我们的探测器，”麻省理工学院高级研究科学家Lisa Barsotti说，她负责监督新的LIGO技术的发展，该项目最初涉及麻省理工学院的研究实验由物理学教授Matt Evans（PhD ‘ 02）和天体物理学教授Nergis Mavalvala领导。这项工作现在包括麻省理工学院，加州理工学院以及华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双LIGO天文台的数十名科学家和工程师。

“这种规模的项目需要多人，从设施到工程和光学——基本上是LIGO实验室的全部范围，LIGO科学合作组织做出了重要贡献。这是一项巨大的努力，由于大流行而更具挑战性，“巴索蒂说。

“现在我们已经超越了这个量子极限，我们可以做更多的天文学，”加州理工学院物理学助理教授、这项新研究的领导者之一李·麦卡勒（Lee McCuller）解释说。“LIGO使用激光和大镜子进行观察，但我们的工作灵敏度意味着该设备受到量子领域的影响。

这些结果也对未来的量子技术（如量子计算机和其他微电子学）以及基础物理实验产生影响。“我们可以把我们从LIGO学到的东西应用到需要以令人难以置信的精度测量亚原子尺度距离的问题中，”McCuller说。

“当NSF在1990年代后期首次投资建造双LIGO探测器时，我们对观测引力波的潜力充满热情，”NSF主任Sethuraman Panchanathan说。“这些探测器不仅使突破性的发现成为可能，而且还释放了新技术的设计和开发。这确实是NSFDNA的典范 – 好奇心驱动的探索与使用启发的创新相结合。通过数十年的持续投资和扩大国际合作伙伴关系，LIGO将进一步推动丰富的发现和技术进步。

量子物理定律规定，包括光子在内的粒子将随机进出空白空间，产生量子噪声的背景嘶嘶声，给LIGO基于激光的测量带来一定程度的不确定性。量子挤压起源于 1970 年代后期，是一种掩盖量子噪声的方法，或者更具体地说，是将噪声从一个地方推到另一个地方，目的是进行更精确的测量。

术语挤压是指光可以像气球动物一样纵的事实。为了制作狗或长颈鹿，人们可能会将长气球的一部分捏成一个精确定位的小关节。但随后气球的另一侧会膨胀到更大、更不精确的尺寸。同样，光可以在一种特征（例如其频率）中被挤压以更精确，但结果是它在另一种特征（例如其功率）中变得更加不确定。这种限制是基于量子力学的基本定律，称为不确定性原理，该定律指出你不能同时知道物体的位置和动量（或光的频率和功率）。

自2019年以来，LIGO的双探测器一直在挤压光，以提高它们对探测到的引力波的较高频率范围的灵敏度。但是，就像挤压气球的一侧会导致另一侧膨胀一样，挤压光线是有代价的。通过使LIGO的测量在高频下更精确，在较低频率下的测量变得不那么精确。

“在某些时候，如果你做更多的挤压，你不会得到太多。我们需要为接下来探测引力波的能力做好准备，“巴索蒂解释说。

现在，LIGO新的频率依赖光学腔 – 大约三个足球场长度的长管 – 允许团队根据感兴趣的引力波的频率以不同的方式挤压光，从而降低整个LIGO频率范围内的噪声。

“以前，我们必须选择我们希望LIGO更精确的地方，”LIGO团队成员，加州理工学院物理学教授Rana Adhikari说。“现在我们可以吃我们的蛋糕，也可以吃了。我们已经知道了一段时间如何写下方程式来使它工作，但直到现在还不清楚我们是否真的能让它工作。这就像科幻小说一样。

量子领域的不确定性

每个LIGO设施由两个4公里长的臂组成，连接成“L”形。激光束沿着每只手臂传播，击中巨大的悬挂镜子，然后回到它们开始的地方。当引力波席卷地球时，它们导致LIGO的手臂伸展和挤压，使激光束失去同步。这导致两个光束中的光以特定的方式相互干扰，揭示了引力波的存在。

然而，潜伏在包裹LIGO激光束的真空管内的量子噪声可以微小地改变光束中光子的时间。McCuller将激光中的这种不确定性比作一罐BB。 “想象一下，倾倒一个装满BB的罐子。它们都撞在地上，咔哒咔哒地独立咔嚓咔嚓。BB随机撞击地面，这会产生噪音。光子就像BB一样，在不规则的时间击中LIGO的镜子，“他在接受加州理工学院采访时说。

麦卡勒说，自2019年以来一直存在的挤压技术使“光子更频繁地到达，就好像光子手牵手而不是独立旅行一样”。这个想法是使光的频率或时间更加确定，而振幅或功率不那么确定，以此来抑制光子的BB样效应。这是在专用晶体的帮助下完成的，这些晶体基本上将一个光子变成一对能量较低的两个纠缠或连接的光子。晶体不会直接挤压LIGO激光束中的光;相反，它们在LIGO管的真空中挤压杂散光，并且该光与激光束相互作用以间接挤压激光。

“光的量子性质造成了这个问题，但量子物理学也为我们提供了解决方案，”巴索蒂说。

一个始于几十年前的想法

挤压本身的概念可以追溯到 1970 年代后期，始于已故俄罗斯物理学家弗拉基米尔·布拉金斯基的理论研究;加州理工学院的基普·索恩，理查德·P·费曼理论物理学名誉教授;卡尔顿·凯夫斯（Carlton Caves），前加州理工学院研究员，现就职于新墨西哥大学。研究人员一直在思考基于量子的测量和通信的极限，这项工作激发了1986年加州理工学院威廉·L·瓦伦丁物理学名誉教授H. Jeff Kimble的首次挤压实验演示之一。金布尔将挤压光比作黄瓜;光测量的确定性只被推向一个方向或特征，将“量子卷心菜变成量子黄瓜”，他在1993年加州理工学院《 工程与科学 》杂志的一篇文章中写道。

2002年，研究人员开始考虑如何在LIGO探测器中挤压光线，2008年，该技术的首次实验演示在加州理工学院的40米测试设施中实现。2010年，麻省理工学院的研究人员开发了LIGO挤压机的初步设计，并在LIGO的汉福德工厂进行了测试。德国GEO600探测器的平行工作也使研究人员相信挤压是有效的。九年后的2019年，经过多次试验和精心的团队合作，LIGO首次开始掐光。

“我们经历了很多故障排除，”自2008年以来一直在从事该项目的Sheila Dwyer说，首先是麻省理工学院的研究生，然后从2013年开始在LIGO汉福德天文台担任科学家。“挤压最早是在 1970 年代后期想到的，但花了几十年的时间才把它做好。”

好事太多了

但是，如前所述，挤压会带来权衡。通过将量子噪声从激光的时间或频率中移出，研究人员将噪声放入激光的振幅或功率中。然后，更强大的激光束推动LIGO的重镜，引起与较低频率的引力波相对应的不需要的噪音隆隆声。这些隆隆声掩盖了探测器感知低频引力波的能力。

“尽管我们正在使用挤压来为我们的系统建立秩序，减少混乱，但这并不意味着我们在任何地方都赢了，”麻省理工学院的研究生Dhruva Ganapathy说，他是这项新研究的四位共同主要作者之一。“我们仍然受到物理定律的约束。该研究的其他三位主要作者是麻省理工学院研究生Wenxuan Jia，LIGO Livingston博士后学者Masayuki Nakano和麻省理工学院博士后学者Victoria Xu。

不幸的是，当LIGO团队打开激光器的功率时，这种麻烦的隆隆声变得更加成问题。“挤压和调高功率的行为都提高了我们的量子传感精度，以至于我们受到量子不确定性的影响，”McCuller说。“两者都会导致更多的光子推动，从而导致镜子的隆隆声。激光功率只是增加了更多的光子，而挤压使它们更加团块，因此隆隆作响。

双赢

解决方案是以一种方式挤压光以获得高频引力波，另一种方式挤压低频。这就像在从顶部和底部以及侧面挤压气球之间来回走动。

这是通过LIGO新的频率相关挤压腔实现的，该挤压腔控制光波的相对相位，研究人员可以根据引力波的频率范围选择性地将量子噪声移动到光的不同特征（相位或振幅）中。

“的确，我们正在做这个非常酷的量子事情，但真正的原因是这是提高LIGO灵敏度的最简单方法，”Ganapathy说。“否则，我们将不得不打开激光器，这有它自己的问题，或者我们将不得不大大增加镜子的尺寸，这将是昂贵的。

LIGO的合作伙伴天文台Virgo也可能在目前的运行中使用频率相关的挤压技术，这将持续到大约2024年底。下一代更大的引力波探测器，如计划中的地面宇宙探测器，也将获得挤压光的好处。

凭借其新的频率相关挤压腔，LIGO现在可以探测到更多的黑洞和中子星碰撞。Ganapathy说，他最兴奋的是捕捉到更多的中子星粉碎。“通过更多的探测，我们可以看到中子星相互撕裂，并更多地了解里面的东西。

“我们终于利用了我们的引力宇宙，”巴索蒂说。“在未来，我们可以进一步提高我们的灵敏度。我想看看我们能把它推多远。

Physical Review X研究的标题为“具有频率依赖性挤压的LIGO探测器的宽带量子增强”。许多其他研究人员为挤压和频率相关挤压工作的发展做出了贡献，包括麻省理工学院的Mike Zucker和加州理工学院的GariLynn Billingsley，他们是“高级LIGO Plus”升级的领导者，其中包括频率相关的挤压腔;LIGO Hanford Observatory的Daniel Sigg;LIGO Livingston Laboratory的Adam Mullavey;以及来自澳大利亚国立大学的David McClelland小组。

LIGO-Virgo-KAGRA合作在美国、意大利和日本运营着一个引力波探测器网络。LIGO实验室由加州理工学院和麻省理工学院运营，由NSF资助，德国（马克斯普朗克学会），英国（科学和技术设施委员会）和澳大利亚（澳大利亚研究委员会）为高级LIGO探测器做出了贡献。处女座由欧洲引力天文台（EGO）管理，由法国国家科学研究中心（CNRS）、意大利国家核研究所（INFN）和荷兰国家亚原子物理研究所（Nikhef）资助。KAGRA由东京大学宇宙射线研究所（ICRR）主办，由日本国立天文台（NAOJ）和高能加速器研究组织（KEK）共同主办。