海森堡測不準(zhǔn)原理指出，物體的位置不能無限精確地知道，因為物體動量是完全不確定的。這種動量不確定性隨后導(dǎo)致未來測量中的位置不確定性。當(dāng)連續(xù)測量物體的位置時，這種被稱為反向作用的量子效應(yīng)限制了可達到的精度。

在干涉儀型引力波探測器中，這種反向作用效應(yīng)表現(xiàn)為量子輻射壓力噪聲(QRPN)，并將最終(但還沒有)限制靈敏度。在本研究中提出了使用量子工程光態(tài)來直接操縱系統(tǒng)中的量子反作用。

在系統(tǒng)中它在10-50?kHz范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位，觀察到量子反作用噪聲降低了1.2?dB。這一實驗是實現(xiàn)未來干涉型引力波探測器QRPN降低和提高靈敏度的關(guān)鍵一步。本研究的澳大利亞國立大學(xué)的科學(xué)家們找到了一種，更好地探測宇宙中所有恒星質(zhì)量黑洞碰撞的方法。恒星質(zhì)量黑洞是由恒星的引力塌陷形成，它們的碰撞是宇宙中最劇烈的事件之一，能在時空中產(chǎn)生引力波（時空的漣漪）。這些時空的漣漪很小，要使用激光干涉儀才能檢測到。到目前為止，許多信號會被激光上所謂的量子噪聲所淹沒（推著激光干涉儀的鏡面）使測量變得模糊或不精確。

該新方法被稱為“擠壓”，抑制量子噪聲，使測量更加精確，其研究結(jié)果發(fā)表在《自然光子學(xué)》上，這一突破將對下一代探測器至關(guān)重要，這些探測器預(yù)計將在未來20年內(nèi)上線。參與其中的研究人員之一羅伯特·沃德博士(Dr.Robert Ward)表示：正在準(zhǔn)備進一步的實驗，以確認(rèn)該團隊對一種新設(shè)備的概念證明，這種新設(shè)備可以抑制量子噪聲的影響。來自ANU物理研究學(xué)院和ARC引力波發(fā)現(xiàn)卓越中心(OzGrav)的Ward博士說：探測器使用被稱為來自激光束的光子，來感應(yīng)相隔很遠(yuǎn)的鏡子的位置變化。

然而，探測器非常敏感，光是光子數(shù)量的隨機量子變化就能干擾反射鏡，足以掩蓋引力波引起的運動。研究人員已經(jīng)表明，擠壓降低了這種變異性，使探測器更靈敏。先進激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測器和歐洲引力天文臺在意大利的探測器Virgo探測到了兩個黑洞合并，兩顆中子星的碰撞，可能還有吞噬一顆中子星的黑洞。ANU在澳大利亞與LIGO的伙伴關(guān)系中起著主導(dǎo)作用，量子壓縮器團隊的其他成員包括David McClelland教授、博士學(xué)者Min Jet Yap和Bram Slagmolen博士。

Slagmolen博士表示：我們ANU設(shè)計的‘量子壓縮器’，以及對現(xiàn)有LIGO探測器的其他升級，已經(jīng)極大地提高了它們的傳感能力。最新的實驗證明，科學(xué)家可以抵消其他量子噪聲，這些噪聲會影響探測器的傳感能力。新一代LIGO探測器將有能力在任何給定時刻探測宇宙中的每一個黑洞碰撞。LIGO團隊計劃在未來幾年內(nèi)設(shè)計和制造升級的量子壓縮器，新的裝置可以改裝到目前的LIGO探測器上，使科學(xué)家能夠探測到更遠(yuǎn)宇宙中更多的碰撞事件。

博科園｜研究/來自：澳大利亞國立大學(xué)

參考期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-019-0527-y

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