量子真空压缩器让LIGO每周都能发现引力波

  量子挤压器的特写照片，该装置将LIGO的探测范围扩大了50% 图片来自：Maggie Tse

  就在一年前，美国国家科学基金会（National Science foundation）资助的激光干涉仪引力波观测仪器（LIGO）每月大约只能探测到一次引力波。如今，它有了一个新装备，几乎每周都能探测到时空中的这些涟漪。

  这台新仪器名为量子真空压缩器（quantum vacuum squeezer），自从今年4月LIGO开始第三次运行以来，它已经帮助科学家探测到数十个引力波信号，包括一个似乎是由双中子星系统产生的信号（即两颗中子星的爆炸性合并）。

  这台压缩器由麻省理工学院（MIT）的研究人员与加州理工学院（CalTech）和澳大利亚国立大学（ANU）的合作者共同设计、制造并整合到LIGO探测器中。在《物理评论快报》（

  该仪器“压缩”的是量子噪声，那是设法进入了探测器的真空中无限小的量子涨落。量子涨落在其他情况下都可忽略，但是LIGO探测到的信号相当小，量子涨落足以产生污染，可能使传入的引力波信号变得模糊或被完全掩盖。

  MIT 研究生、主要作者麦琪•谢（Maggie Tse）解释道：“量子力学的作用与LIGO的激光由光子组成这一事实相关。如果你把激光束放到足够大，你会发现它实际上不是连续的光流，而是由单个光子组成的嘈杂队列，每个光子都受到真空涨落的影响。连续的光流会在探测器中产生持续的嗡嗡声，而单个光子到达探测器时只会发出‘噗’的一声。”

  麻省理工学院天体物理学Marble荣誉教授、物理系副主任内尔吉斯•马瓦尔瓦拉（Nergis Mavalvala）补充道：“这种量子噪声就像背景中的爆米花声一样，潜入我们的干涉仪，且非常难以测量。”

  使用新的压缩器技术后，LIGO已经把这种令人困扰的量子噪声削减了15%。同时LIGO增加了激光功率，这在某种程度上预示着探测器可以探测到宇宙中远在约1.4亿秒差距或超过4亿光年外的源头发出的引力波。这个扩展的范围使得LIGO几乎每周都能探测到引力波。

  马瓦尔瓦拉是LIGO科学团队中的资深成员，她说：“当探测率上升时，我们不仅因为得到了更多可研究的相关信息而对已知来源有了更多的了解，而且我们得知未知事物的可能性也在增加。我们正在撒一个更大的网。”

  这篇新论文的主要作者是麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的研究生麦琪•谢和于浩存（音，Haocun Yu），以及首席研究科学家丽莎•巴索提（Lisa Barsotti），还有LIGO科学合作组织（LIGO Scientific Collaboration）的其他成员。

  LIGO由两全相同的探测器组成，一台位于美国华盛顿州的汉福德，另一台位于路易斯安那州的利文斯顿。每台探测器由两条4公里长的隧道（或称为干涉臂）组成，两条干涉臂互呈“L”形向两侧伸出。

  为了探测引力波，科学家们从L型探测器的角落向每条干涉手臂发射激光束，干涉臂的末端悬挂一面镜子。两束激光都从各自的镜子反射，并沿干涉臂回到激光发射的地方。当引力波通过探测器时，它会改变其中一面或两面镜子的位置，继而影响每束激光到达其发射点的时间。科学家们能够最终靠测量这个时间来探测引力波信号。

  LIGO测量不确定性的大多数来自是激光周围真空中的量子噪声。虽然真空通常被认为是指空间中一无所有，但物理学家把它理解为一种亚原子粒子（这里是光子）不断被创造和湮灭的状态，它们出现和消失的速度极快，以至于很难被探测到。这些光子的到达时间（相位）和数量（振幅）都同样未知，同样不确定，这使得科学家很难从由此产生的量子噪声背景中筛选出引力波信号。而且，这种量子噪声是恒定的。当LIGO试图探测更远、更微弱的信号时，这种量子噪声就成为了一个限制因素。麻省理工学院的研究团队在15年前就开始设计一种设备，来减少量子噪声中的不确定性，从而探测更微弱、更遥远的引力波信号，不然这些信号就会被量子噪声掩盖。量子压缩是20世纪80年代首次提出的一种理论，其基本思想是量子真空噪声可以被视为一个球体，该球体沿两根主轴存在不确定性，这两根主轴分别是相位和振幅。如果像捏压力球那样沿振幅轴挤压这个球体，这将有效压缩真空中振幅状态的不确定性（压力球被挤压的部分），同时增加相位状态的不确定性（压力球形变和扩张的部分）。反之亦然。由于相位不确定性是LIGO中噪声形成的根本原因，减小相位不确定性就可以使探测器对天体物理信号更加敏感。

  这一理论在近40年前首次被提出，当时一些研究团队就试图在实验室中建造量子压缩器。谢补充道：“搭建压缩器的挑战在于，压缩后的真空状态很精细且脆弱，要把被压缩的球体完整地从它产生的地方运送到被测量的地方，难度大得惊人。一旦有任何失误，被压缩的球都会恢复到压缩前的状态。”大约在2002年，就在LIGO的探测器第一次开始搜寻引力波的时候，麻省理工学院的研究人员开始考虑将量子压缩作为一种降低噪声的方法，因为这种噪声可能会掩盖极其微弱的引力波信号。他们开发了一种线年在LIGO的汉福德基地进行了测试。结果令人鼓舞：该仪器成功提高了LIGO的信噪比（即可靠信号强度与背景噪声的比例）。从那以后，由谢和巴索提领导的团队改进了设计，并将压缩器集成到两个LIGO探测器中。压缩器的核心是一个光参量振荡器（optical parametric oscillator），简称为OPO，这是在镜子结构中放置了一块小晶体的弓形装置。当研究者将一束激光射向晶体，晶体的原子促使激光和量子真空之间发生相互作用，从而重新排列它们相位与振幅关系，创建一个新的经过“压缩”的真空，然后该真空像往常那样延伸到每个探测臂内。这种挤压的真空具有比普通真空更小的相位波动，使科学家能够更好地探测引力波。除了增强LIGO探测引力波的能力外，新的量子压缩器还能够在一定程度上帮助科学家更好地提取产生引力波的来源信息。马瓦尔瓦拉说：“我们大家可以在不违反自然法则的情况下操控这种捉摸不定的量子真空，然后得到更优秀的测量结果。这告诉我们，有时我们大家可以顺着自然法则迂回前行。这种方法并不总能成功，但有时确实行得通。”