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《自然》杂志:量子波动已被证明在宏观尺度上

发布时间:2020-07-24 13:52 作者:admin 来源:互联网 字号:

从量子力学的角度看,宇宙是一个嘈杂的、破裂的空间,在该空间中,粒子不断闪烁、不停地存在,并形成了量子噪声的背景,通常在日常物体中检测不到这种效应的微妙效果。

麻省理工学院LIGO实验室的研究人员领导的团队现在第一次测量了这种量子波动在人类尺度上对物体的宏观影响。该最新研究成果论文发表在今天的《自然》杂志上。

论文第一作者与通讯作者,为麻省理工学院物理系研究生、中国学者于浩村(Yu, Haocun)。她于2015年毕业于英国伦敦帝国理工学院,以后到美国麻省理工学院从事对引力波检测及其LIGO干涉仪的压缩和量子相关性的研究。她自我介绍说,除了物理,她喜欢游泳、骑马和玩琴。

研究报告指出,尽管微观量子波动是如此微小,但证明仍可以“踢动”一个像激光干涉仪引力波天文台(LIGO)里的40公斤镜子一样大的物体,使这个物体移动了很小的幅度,但研究团队可以测量出来。

他们所测得证明,LIGO探测器中的量子噪声足以将大型反射镜移动10的负20方米,这种位移是由量子力学所预测的,对于这种大小的宏观物体,过去从未如此测量过。

论文第二作者、麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的研究科学家、李·麦卡勒(Lee McCuller)说:“一个氢原子是10的负10次方米,所以镜子的位移相当于是氢原子的位移,我们对此进行了测量。”

于解释说,研究人员使用了他们设计的一种特殊的工具,称为量子挤压器(quantum squeezer),以“操纵探测器的量子噪声并减少其对反射镜的撞击,从而最终可以提高LIGO在探测引力波方面的灵敏度”。如图所示量子挤压器的原理。

由于引力波作用,引力波检测器的一只长臂受到了挤压。振幅和相位的不确定性之间具有相关性的光被称为“压缩”的。引力波探测器包含光腔,该光腔由悬挂在钟摆上并间隔数公里的反射镜组成。光以“未压缩”状态进入腔体,也就是说,与光的相位和振幅有关的量子涨落(测量概率分布中的不确定性)彼此不相关。反射镜的振荡运动是由循环光的辐射压力引起的,导致陷在腔中的光发生相移,并在振幅和相位之间产生量子相关性(称为质动力效应)。因此,从腔中出来的光被挤压了。对于此示例,已减小了相位不确定性,而增加了幅度不确定性。在不同的信号观察频率下,光可能会被另一种方式挤压-相位不确定性增加且幅度不确定性降低。这种效应可以用来提高重力波探测器的测量精度,从而超过精度的固有极限(标准量子极限)。研究还表明,辐射压力噪声(空腔中捕获的光在公斤级反射镜上产生的力的微小变化)有助于悬置反射镜的运动。

论文作者、麻省理工学院物理系教授纳尔吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说:“这个实验的特别之处在于我们已经看到了像人类一样宏观的量子效应。” “我们自己实际上每一纳秒都在被这些量子抖动所影响。因为我们存在自己的抖动,即我们的热能,所以对于这些量子涨落来说太大了,难以测量到它们的运动。”通过LIGO引力镜,我们可以做这样的工作,将它们与热驱动运动和其它作用力分隔开,这样它们现在微观的量子涨落可以在宇宙宏观的角度被观察到。

LIGO旨在检测从数百万到数十亿光年的波变源到达地球的引力波。它包括两个双探测器,一个在华盛顿州,另一个在路易斯安那州。每个检测器都是一个L形干涉仪,由两个4公里长的隧道组成,在其末端悬挂有40公斤的反射镜。

为了检测引力波,位于LIGO干涉仪输入端的激光沿着检测器的每个通道发送光束,在该通道的远端从反射镜反射回来,返回到其起点。在没有引力波的情况下,激光应在相同的精确时间返回。如果引力波通过,它将短暂地干扰反射镜的位置,从而干扰激光的到达时间。

于说:“我们认为量子噪声是沿不同轴分布的,我们试图在某些特定方面降低噪声。”当压缩器设置为特定状态时,它可以例如压缩或缩小相位不确定性,同时扩大或增加幅度的不确定性。以不同角度挤压量子噪声将在LIGO探测器中产生不同比例的相位噪声和幅度噪声。

通过使用挤压光来减少LIGO测量中的量子噪声,该团队已使测量比标准量子极限更加精确,从而将最终帮助LIGO检测微弱、更远、更多的引力波。《自然》杂志专题评论文章指出,这一重要技术将有可能迎来一个引力波检测的新时代。

参考:1. Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2420-8.

2. Quantum fluctuations have been shown to affect macroscopic objects. Nature. 01 JULY 2020

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