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快訊：“量子壓縮”升級(jí)LIGO 每周都能發(fā)現(xiàn)新引力波

2019-12-10 10:18:40來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

2015年9月

，位于美國(guó)的激光干涉重力波觀測(cè)儀(LIGO)首次探測(cè)到引力波

，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦提出的百年猜想，人類天文學(xué)開(kāi)啟了引力波時(shí)代

。日前

，...

2015年9月，位于美國(guó)的激光干涉重力波觀測(cè)儀(LIGO)首次探測(cè)到引力波，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦提出的“百年猜想”

，人類天文學(xué)開(kāi)啟了“引力波時(shí)代”

。

日前，來(lái)自麻省理工學(xué)院

、加州理工學(xué)院、澳大利亞國(guó)立大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》撰文披露

，他們?yōu)長(zhǎng)IGO安裝了名為“量子真空壓縮器”的神秘武器，使其探測(cè)能力顯著提升

。據(jù)麻省理工學(xué)院官方報(bào)道

，今年4月以來(lái)，在該設(shè)備的“加成”下

，LIGO已經(jīng)數(shù)十次捕獲引力波信號(hào)

。

量子噪聲干擾LIGO測(cè)量

LIGO使用“L”型的探測(cè)器來(lái)感知引力波

。每個(gè)探測(cè)器由兩個(gè)2.5英里(約4公里)長(zhǎng)

、相互垂直的“長(zhǎng)臂”——真空管組成。光源發(fā)射一束激光

，經(jīng)過(guò)分光鏡后分成兩半

，各自進(jìn)入一條長(zhǎng)臂，并通過(guò)其末端的反射鏡反射后原路返回

。

根據(jù)激光干涉原理

，這兩束同時(shí)返回的激光將相互抵消，探測(cè)器接收不到信號(hào)

。但當(dāng)引力波撞擊地球時(shí)，它會(huì)扭曲時(shí)空——短暫地使LIGO“一條胳膊長(zhǎng)

、一條胳膊短”

，這種有節(jié)奏的拉伸和擠壓變形一直持續(xù)到引力波通過(guò)為止。此時(shí)

，兩束激光無(wú)法同時(shí)返回，不會(huì)相互抵消

，探測(cè)器將接收到返回的閃光信號(hào)

。

但是

，“理想很豐滿

，現(xiàn)實(shí)很骨感”

。正如麻省理工學(xué)院研究生、論文主要作者瑪吉·謝所說(shuō)

，激光并非連續(xù)的光流

，而是由單個(gè)光子組成的嘈雜列隊(duì)，每個(gè)光子都受到真空波動(dòng)的影響

。光子平均“準(zhǔn)時(shí)”到達(dá)探測(cè)器

，但有些很早，有些很晚

，形成一條有一定寬度的“鐘形曲線”

。

當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，LIGO手臂的長(zhǎng)度變化不到質(zhì)子寬度的萬(wàn)分之一

。探測(cè)系統(tǒng)要足夠敏感才能準(zhǔn)確測(cè)量激光信號(hào)

，這導(dǎo)致部分未準(zhǔn)時(shí)到達(dá)的光子也會(huì)造成閃光，產(chǎn)生假的引力波信號(hào)

，這就是所謂的“量子噪聲”

。

為了避免“報(bào)假警”，LIGO設(shè)定只有手臂長(zhǎng)度變化超出量子噪聲范圍才判斷為引力波到來(lái)

，這無(wú)疑限制了它對(duì)距離更遠(yuǎn)、強(qiáng)度更弱的引力波探測(cè)

。

量子壓縮減小量子噪聲

量子壓縮是20世紀(jì)80年代提出的概念，其基本思想是量子真空噪聲可以表示為沿相位和振幅兩個(gè)主軸的不確定性球

。這個(gè)球體就像一個(gè)應(yīng)力球

，可以被壓縮。假如沿相位軸收縮球體

，相位狀態(tài)的不確定性

，也就是光子到達(dá)時(shí)間的不確定性將減小，但振幅狀態(tài)的不確定性

，也就是光子到達(dá)數(shù)量的不確定性將增加。

由于時(shí)間不確定性是LIGO量子噪聲的主要影響因素

，所以

，沿相位方向壓縮可以使探測(cè)器對(duì)引力波更加敏感。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)從15年前就開(kāi)始設(shè)計(jì)“量子真空壓縮器”

，以揭示更微弱

、更遙遠(yuǎn)的引力波信號(hào)。2010年

，早期的壓縮器在位于漢福德的探測(cè)器上進(jìn)行測(cè)試

，取得了一定的效果

。

之后

，研究人員逐步改進(jìn)“量子真空壓縮器”。其核心是一個(gè)光學(xué)參量振蕩器

，它是一個(gè)蝴蝶結(jié)形狀的裝置

，中心是一小塊晶體，四周由反射鏡包圍

。激光通過(guò)晶體原子時(shí)

，其光子的振幅和相位將重新排列，以達(dá)到“壓縮”真空

，減小光子到達(dá)時(shí)間波動(dòng)的目的

。

安裝“量子真空壓縮器”后

，LIGO的探測(cè)距離延長(zhǎng)15%、超過(guò)4億光年

，引力波的發(fā)現(xiàn)速度有望提高50%

，達(dá)到每周都可能發(fā)現(xiàn)新引力波的階段。LIGO的“同事”

、位于意大利的“處女座”(Virgo)引力波探測(cè)器也已經(jīng)安裝類似設(shè)備

，探測(cè)距離提高5%—8%

，引力波發(fā)現(xiàn)速度增加16%—26%

。此外，壓縮器有助于精確定位引力波源的位置

，方便天文學(xué)家進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)

。

麻省理工學(xué)院卡弗里天體物理學(xué)與空間研究所首席科學(xué)家麗莎·巴索蒂透露，由于此次改進(jìn)

，LIGO的下一次升級(jí)可以將引力波探測(cè)速度提高5倍以上

。

責(zé)任編輯：孫知兵

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