MIT：測量量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響

從量子力學(xué)的角度看，宇宙是一個嘈雜的、破裂的空間，在該空間中，粒子不斷閃爍、不停地存在，并形成了量子噪聲的背景，通常在日常物體中檢測不到這種效應(yīng)的微妙效果。

麻省理工學(xué)院LIGO實驗室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊現(xiàn)在第一次測量了這種量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響。該最新研究成果論文發(fā)表在今天的《自然》雜志上。

論文第一作者與通訊作者，為麻省理工學(xué)院物理系研究生、中國學(xué)者于浩村（Yu， Haocun）。她于2015年畢業(yè)于英國倫敦帝國理工學(xué)院，以后到美國麻省理工學(xué)院從事對引力波檢測及其LIGO干涉儀的壓縮和量子相關(guān)性的研究。她自我介紹說，除了物理，她喜歡游泳、騎馬和玩琴。

研究報告指出，盡管微觀量子波動是如此微小，但證明仍可以“踢動”一個像激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）里的40公斤鏡子一樣大的物體，使這個物體移動了很小的幅度，但研究團隊可以測量出來。

他們所測得證明，LIGO探測器中的量子噪聲足以將大型反射鏡移動10的負20方米，這種位移是由量子力學(xué)所預(yù)測的，對于這種大小的宏觀物體，過去從未如此測量過。

論文第二作者、麻省理工學(xué)院卡夫里天體物理與空間研究所的研究科學(xué)家、李·麥卡勒（Lee McCuller）說：“一個氫原子是10的負10次方米，所以鏡子的位移相當于是氫原子的位移，我們對此進行了測量。”

于解釋說，研究人員使用了他們設(shè)計的一種特殊的工具，稱為量子擠壓器（quantum squeezer），以“操縱探測器的量子噪聲并減少其對反射鏡的撞擊，從而最終可以提高LIGO在探測引力波方面的靈敏度”。如圖所示量子擠壓器的原理。

由于引力波作用，引力波檢測器的一只長臂受到了擠壓。振幅和相位的不確定性之間具有相關(guān)性的光被稱為“壓縮”的。引力波探測器包含光腔，該光腔由懸掛在鐘擺上并間隔數(shù)公里的反射鏡組成。光以“未壓縮”狀態(tài)進入腔體，也就是說，與光的相位和振幅有關(guān)的量子漲落（測量概率分布中的不確定性）彼此不相關(guān)。反射鏡的振蕩運動是由循環(huán)光的輻射壓力引起的，導(dǎo)致陷在腔中的光發(fā)生相移，并在振幅和相位之間產(chǎn)生量子相關(guān)性（稱為質(zhì)動力效應(yīng)）。因此，從腔中出來的光被擠壓了。對于此示例，已減小了相位不確定性，而增加了幅度不確定性。在不同的信號觀察頻率下，光可能會被另一種方式擠壓-相位不確定性增加且幅度不確定性降低。這種效應(yīng)可以用來提高重力波探測器的測量精度，從而超過精度的固有極限（標準量子極限）。研究還表明，輻射壓力噪聲（空腔中捕獲的光在公斤級反射鏡上產(chǎn)生的力的微小變化）有助于懸置反射鏡的運動。

論文作者、麻省理工學(xué)院物理系教授納爾吉斯·馬瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）說：“這個實驗的特別之處在于我們已經(jīng)看到了像人類一樣宏觀的量子效應(yīng)?！?“我們自己實際上每一納秒都在被這些量子抖動所影響。因為我們存在自己的抖動，即我們的熱能，所以對于這些量子漲落來說太大了，難以測量到它們的運動?！蓖ㄟ^LIGO引力鏡，我們可以做這樣的工作，將它們與熱驅(qū)動運動和其它作用力分隔開，這樣它們現(xiàn)在微觀的量子漲落可以在宇宙宏觀的角度被觀察到。

LIGO旨在檢測從數(shù)百萬到數(shù)十億光年的波變源到達地球的引力波。它包括兩個雙探測器，一個在華盛頓州，另一個在路易斯安那州。每個檢測器都是一個L形干涉儀，由兩個4公里長的隧道組成，在其末端懸掛有40公斤的反射鏡。

為了檢測引力波，位于LIGO干涉儀輸入端的激光沿著檢測器的每個通道發(fā)送光束，在該通道的遠端從反射鏡反射回來，返回到其起點。在沒有引力波的情況下，激光應(yīng)在相同的精確時間返回。如果引力波通過，它將短暫地干擾反射鏡的位置，從而干擾激光的到達時間。

于說：“我們認為量子噪聲是沿不同軸分布的，我們試圖在某些特定方面降低噪聲?！碑攭嚎s器設(shè)置為特定狀態(tài)時，它可以例如壓縮或縮小相位不確定性，同時擴大或增加幅度的不確定性。以不同角度擠壓量子噪聲將在LIGO探測器中產(chǎn)生不同比例的相位噪聲和幅度噪聲。

通過使用擠壓光來減少LIGO測量中的量子噪聲，該團隊已使測量比標準量子極限更加精確，從而將最終幫助LIGO檢測微弱、更遠、更多的引力波?！蹲匀弧冯s志專題評論文章指出，這一重要技術(shù)將有可能迎來一個引力波檢測的新時代。