室溫下觀察和聆聽量子效應肉眼可見？

自2015年兩個黑洞在10億光年外碰撞產生引力波的歷史性發現以來，物理學家們一直在推進有關測量精度極限的知識，這將有助於改進引力波科學家使用的下一代工具和技術。路易斯安那州立大學物理與天文學系副教授Thomas Corbitt和研究團隊現在提出了第一個寬頻非共振測量音頻波段的量子輻射壓力雜訊，頻率與引力波探測器有關，並於2019年3月25日發表在《自然》期刊上。這項研究得到了美國國家科學基金會(National Science Foundation，簡稱NSF)的支持。

博科園-科學科普：研究結果為提高引力波探測器的靈敏度提供了線索，方法是開發技術，減輕測量中所謂的「反作用力」不精確性，從而增加探測引力波的機會。Corbitt和研究人員已經開發出一種物理設備，可以在室溫下觀察和聆聽量子效應。在非常低的溫度下測量量子效應往往更容易，而這種方法使它們更接近人類的經驗。位於路易斯安那州利文斯頓的LIGO或激光干涉儀引力波天文台(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等探測器的微型模型中。

這些設備由低損耗的單晶微諧振器組成，每個諧振器都有一個針尖大小的鏡墊，懸掛在懸臂上。激光束對準其中一個反射鏡，當光束被反射時，波動的輻射壓力足以彎曲懸臂結構，導致反射鏡墊振動，產生噪音。

引力波干涉儀使用儘可能多的激光功率，以最小化測量離散光子所帶來的不確定性，並最大限度地提高信噪比。這些更高功率的光束增加了位置精度，但也增加了反作用力，這是反射鏡中光子數量的不確定性，而反射鏡中光子數量對應於由於輻射壓力對鏡子產生的波動力，從而導致機械運動。

其他類型的雜訊，如熱雜訊，通常控制著量子輻射壓力雜訊，但是Corbitt的團隊，包括麻省理工學院的合作者，已經對它們進行了分類。先進的LIGO和其他第二代、第三代干涉儀在全激光功率下運行時，將受到低頻量子輻射壓力雜訊的限制。Corbitt在《自然》上發表的論文為研究人員在測量引力波時如何解決這個問題提供了線索。Corbitt說：由於迫切需要更靈敏的引力波探測器，重要的是研究量子輻射壓力雜訊對類似於高級LIGO的系統影響，這將受到量子輻射壓力雜訊在遠離測試質量懸架機械共振頻率大範圍頻率上的限制。

Corbitt的前學術顧問、《自然》期刊論文的主要作者Jonathan Cripe去年從LSU畢業，獲得物理學博士學位，現在是國家標準與技術研究所的博士後研究員說：在LSU的每一天，我都在做設計這個實驗的背景工作和微型反射鏡，並把所有光學元件放在桌面上，我並沒有真正考慮未來結果的影響。我只是專註於每一個單獨的步驟，一天做一天的事情。[但是]現在我們已經完成了實驗，回過頭來想想量子力學（一種似乎超凡脫俗、脫離人類日常經驗的東西）是人類肉眼可見鏡子運動的主要驅動因素，這真是令人驚訝。

量子真空，或者說『虛無』，可以對你能看到的東西產生影響。物理學家兼國家科學基金會項目主任佩德羅·馬羅內蒂(Pedro Marronetti)指出，測試改進引力波探測器的新想法可能很棘手，尤其是在降低只能用全尺寸干涉儀測量的雜訊時：這項突破為測試降噪提供了新機會，這種方法的相對簡單性使得它可以被廣泛的研究小組使用，這可能會增加引力波天體物理學中更廣泛的科學界參與。

路易斯安那州立大學物理與天文學系副教授托馬斯·科爾比特(Thomas Corbitt)和研究團隊目前首次在音頻波段以與引力波探測器相關的頻率，對量子輻射壓力雜訊進行寬頻非共振測量。圖片：Elsa Hahne, LSU

博科園｜研究/來自: 路易斯安那州立大學

參考期刊《Nature》

DOI: 10.1038/s41586-019-1051-4

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