“量子压缩”升级LIGO

每周都能发现新引力波

2019年12月10日  来源：科技日报

2015年9月，位于美国的激光干涉重力波观测仪（LIGO）首次探测到引力波，验证了爱因斯坦提出的“百年猜想”，人类天文学开启了“引力波时代”。

日前，来自麻省理工学院、加州理工学院、澳大利亚国立大学的联合团队在《物理评论快报》撰文披露，他们为LIGO安装了名为“量子真空压缩器”的神秘武器，使其探测能力显著提升。据麻省理工学院官方报道，今年4月以来，在该设备的“加成”下，LIGO已经数十次捕获引力波信号。

量子噪声干扰LIGO测量

LIGO使用“L”型的探测器来感知引力波。每个探测器由两个2.5英里（约4公里）长、相互垂直的“长臂”——真空管组成。光源发射一束激光，经过分光镜后分成两半，各自进入一条长臂，并通过其末端的反射镜反射后原路返回。

根据激光干涉原理，这两束同时返回的激光将相互抵消，探测器接收不到信号。但当引力波撞击地球时，它会扭曲时空——短暂地使LIGO“一条胳膊长、一条胳膊短”，这种有节奏的拉伸和挤压变形一直持续到引力波通过为止。此时，两束激光无法同时返回，不会相互抵消，探测器将接收到返回的闪光信号。

但是，“理想很丰满，现实很骨感”。正如麻省理工学院研究生、论文主要作者玛吉·谢所说，激光并非连续的光流，而是由单个光子组成的嘈杂列队，每个光子都受到真空波动的影响。光子平均“准时”到达探测器，但有些很早，有些很晚，形成一条有一定宽度的“钟形曲线”。

当引力波经过时，LIGO手臂的长度变化不到质子宽度的万分之一。探测系统要足够敏感才能准确测量激光信号，这导致部分未准时到达的光子也会造成闪光，产生假的引力波信号，这就是所谓的“量子噪声”。

为了避免“报假警”，LIGO设定只有手臂长度变化超出量子噪声范围才判断为引力波到来，这无疑限制了它对距离更远、强度更弱的引力波探测。

量子压缩减小量子噪声

量子压缩是20世纪80年代提出的概念，其基本思想是量子真空噪声可以表示为沿相位和振幅两个主轴的不确定性球。这个球体就像一个应力球，可以被压缩。假如沿相位轴收缩球体，相位状态的不确定性，也就是光子到达时间的不确定性将减小，但振幅状态的不确定性，也就是光子到达数量的不确定性将增加。

由于时间不确定性是LIGO量子噪声的主要影响因素，所以，沿相位方向压缩可以使探测器对引力波更加敏感。麻省理工学院的研究团队从15年前就开始设计“量子真空压缩器”，以揭示更微弱、更遥远的引力波信号。2010年，早期的压缩器在位于汉福德的探测器上进行测试，取得了一定的效果。

之后，研究人员逐步改进“量子真空压缩器”。其核心是一个光学参量振荡器，它是一个蝴蝶结形状的装置，中心是一小块晶体，四周由反射镜包围。激光通过晶体原子时，其光子的振幅和相位将重新排列，以达到“压缩”真空，减小光子到达时间波动的目的。

安装“量子真空压缩器”后，LIGO的探测距离延长15%、超过4亿光年，引力波的发现速度有望提高50%，达到每周都可能发现新引力波的阶段。LIGO的“同事”、位于意大利的“处女座”（Virgo）引力波探测器也已经安装类似设备，探测距离提高5%—8%，引力波发现速度增加16%—26%。此外，压缩器有助于精确定位引力波源的位置，方便天文学家进行后续观测。

麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所首席科学家丽莎·巴索蒂透露，由于此次改进，LIGO的下一次升级可以将引力波探测速度提高5倍以上。