引力波探測還能如何更靈敏？物理學家要把量子噪音也去除

原文以Tricks to mute quantum noise aid hunt for gravitational waves為標題

發布在2017年7月12日的《自然》新聞上

原文作者：Elizabeth Gibney

物理學家設法使LIGO和其他引力波探測器更加靈敏。

位於德國漢諾威的GEO600引力波探測器正測試將部署於如LIGO的較大引力波天文台的技術。

引力波天文台有一些地球上最靈敏的探測器，即使是在距離地球數十億光年之外，大質量黑洞發生碰撞而產生並穿過地球的微弱時空漣漪，它們也能探測到。但是受到基本量子極限的約束，它們難以捕捉更加細微的信號。現在物理學家正想方設法來解決這個問題。他們的目標是能更進一步地窺視宇宙並觀測質量不如黑洞的星體（如中子星）發生碰撞的效應。

位於德國漢諾威的GEO600引力波探測器正測試將部署於如LIGO的較大引力波天文台的技術。

DPA Picture Alliance/Alamy

設於美國的先進激光干涉儀引力波天文台（LIGO）已經計劃使用光子技術來「壓縮」光。這應能使LIGO的靈敏度提高50％。引力波研究界以外的量子物理學家們也紛紛懷著奇思妙想投身於此。在7月份的一期《自然》雜誌上，他們描述了一種在理論上能夠讓探測器靈敏度翻番的技術。

哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的物理學家Eugene Polzik領導了這項最新研究，他說：「我們一直都在急切尋找已經達到量子極限的應用。」

LIGO的量子極限

位於華盛頓州漢福德市和路易斯安那州利文斯頓市的每個LIGO探測器均由兩條相互垂直的4公里長的隧道組成，隧道兩端均安有鏡子。一束激光被分裂後沿著每個隧道來回反彈。引力波會拉伸其中一臂並壓縮另一臂。這樣，光之後會沿著每個臂行進不同的距離，所以當它們重新組合時，兩個光束已不同步。使用這種方法，LIGO可以探測到小至10–19米的偏移——約為質子寬度的萬分之一。

工程師們保護LIGO免受遠處卡車隆隆聲的影響，並補償微小的溫度漲落。但激光的量子特性會在測量中產生根本的不確定性。科學家們不可能準確地知道到達LIGO探測器的激光束中究竟有多少個光子，從而在距離測量中產生噪音。光子在撞到LIGO的鏡子上時也會給鏡子施加碰撞的動量。當光子數發生漲落時，它們會使鏡子移動不可知的量，從而會增加更多的不確定性。

Polzik和他的團隊通過給予光子相反的撞擊補償來繞過後者的限制。在它們的設置中，激光先通過銫原子云，然後撞到它的靶上 —— 一個薄膜，而不是鏡子。研究人員人為地倒轉了銫原子的原子自旋態，以使穿過薄膜的光子的撞擊將原子自旋態翻轉到較低的而不是較高的能量狀態上。通過從原子云的角度對薄膜位置的測量，兩次撞擊的效應原則上會完全抵消。在實踐中，該技術讓他們的團隊將不確定性降低34％。

這種方法是振奮人心的，LIGO合作項目成員之一、麻省理工學院的物理學家Nergis Mavalvala說。她還說：「即使它在引力波探測器上的技術應用還沒有被廣泛探索，但初步計算結果看起來很有前景。」

Polzik的團隊現在正在與莫斯科大學和莫斯科附近斯科爾科沃的俄羅斯量子中心合作，以進一步發展這個想法。另外，他們也在與LIGO和馬克斯·普朗克引力物理研究所的引力波研究人員討論這個方法。該研究所正運行一個名為GEO600的更小型的引力波探測器。Polzik說，融合這種技術可能需要五到十年的時間，但它有希望使探測器的靈敏度翻番，這將意味著可探測的宇宙區域將擴大8倍。他還說，「現在這開始聽起來像真的了。」

壓縮光

LIGO的物理學家正在獨立地計劃使用一種被稱為壓縮光的技術來抑制量子雜訊。這已經在GEO600中使用了，並在LIGO的早期階段進行了試用。人們不可能同時降低光子的兩個互補特性的不確定性，例如位置和動量。但是，人們有可能通過「壓縮」光，以一個維度的不確定性的增加為代價，降低另一個維度的不確定性。

LIGO可以檢測高頻引力波的精度受到擊中LIGO探測器的光子數量的模糊性的限制 — 研究人員可以僅僅壓縮這一維度。然而，檢測低頻波時，限制測量精度的是動量漲落。為了同時降低兩種效應的雜訊，研究人員需要對不同頻率波形的光進行不同的壓縮。LIGO計劃在未來5年左右，開始使用一種被稱為過濾腔的裝置來實現這個目的，這樣應可以提高LIGO整個檢測帶的靈敏度。

其他人希望可以有不需要額外設備就能實現上述目的的量子技術。加州理工學院的Yiqiu Ma和他的同事們已經從理論上提出了一種通過糾纏兩束光來壓縮所有頻率的光的方式 — 這意味著它們的屬性是內在聯繫的，因此測量一個光束的不確定性可以預測另一個的不確定性。

努力超越量子測量的極限不僅僅有益於引力波探測器。Polzik表示，「這些研究對於探索量子力學的界限至關重要。」

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