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《宇宙的幽灵爆米花》揭示-量子涨落可以摇动人类尺度上的物体

研究表明,ligo40公斤重的镜子可以响应微小的量子效应而移动,揭示出宇宙中幽灵般的爆米花。

从量子力学的角度来看,宇宙是一个嘈杂的、噼啪作响的空间,粒子在其中不停地闪现,创造出一个量子噪声的背景,其影响通常太过微妙,在日常物体中难以察觉。

现在,由麻省理工学院LIGO实验室的研究人员领导的一个团队首次测量了量子涨落对人类尺度物体的影响。在2020年7月1日发表在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员报告说,他们观察到量子涨落,尽管它们可能很微小,但仍然会产生影响。一个像美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)重40公斤的反射镜一样大的物体使它们移动了一个微小的度,这个团队能够测量到。

事实证明,ligos探测器中的量子噪声足以使大型反射镜移动10-20米。这是量子力学预测的这种大小物体的位移,但之前从未被测量过。

氢原子的长度是10-10米,所以镜子的位移对于氢原子来说就像氢原子对于我们一样。我们对此进行了测量。麻省理工学院天体物理与空间研究所的研究员李·麦卡勒说。

研究人员使用一种他们自己设计的叫做量子挤压器的特殊仪器来操纵探测器的量子噪声,并减少它对反射镜的冲击,这种方式最终可以提高探测器探测引力波的灵敏度。麻省理工学院物理学研究生Yu Haocun解释说。

这个实验的特别之处在于,我们已经看到了量子效应在像人这么大的物体上的作用。麻省理工学院物理系副主任、大理石教授奈尔吉斯·马瓦瓦拉说。我们也一样,在我们存在的每一纳秒里,都被这些量子涨落踢来踢去,击打着。只是我们存在的抖动,我们的热能,太大了,这些量子真空涨落无法测量地影响我们的运动。有了ligos的镜像,我们所做的所有工作都是为了将它们与热驱动运动和其他力隔离开来,所以它们现在仍然足够被量子涨落和这个可怕的宇宙爆米花踢来踢去。

Yu, Mavalvala,和McCuller与麻省理工学院的研究生Maggie Tse和首席研究科学家Lisa Barsotti,以及LIGO科学合作的其他成员共同撰写了这篇新论文。

一个量子踢

LIGO被设计用来探测数百万到数十亿光年之外的大灾难源到达地球的引力波。它由一对探测器组成,一个位于华盛顿的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器都是一个l形干涉仪,由两个4公里长的隧道组成,隧道末端挂着一个40公斤重的镜子。

为了探测引力波,位于LIGO干涉仪输入端的一束激光向探测器的每个隧道发送一束光,然后从远端的镜子反射回来,再回到起点。在没有引力波的情况下,激光会在同一时间返回。如果引力波通过,它会短暂地干扰镜片的位置,从而影响激光到达的时间。

为了保护干涉仪不受外部噪音的干扰,已经做了很多工作,这样探测器就有更好的机会挑选出入射引力波所产生的极其细微的干扰。

马瓦瓦拉和她的同事们想知道,LIGO是否也足够灵敏,以至于仪器甚至能感觉到更微妙的效应,比如干涉仪本身的量子涨落,特别是LIGO激光器中光子产生的量子噪声。

激光中的量子涨落会产生辐射压力,这种压力实际上会踢到物体。McCuller补充道。我们这里的物体是一个40公斤重的镜子,比其他小组用纳米尺度的物体测量到的量子效应重10亿倍。

噪音压榨机

为了观察他们是否能够测量ligo&o的巨大反射镜对微小量子波动的反应,研究小组使用了他们最近建造的干涉仪的附加设备,他们称之为量子挤压器。有了这种挤压器,科学家们可以在ligo&o干涉仪中调整量子噪声的性质。

研究小组首先测量了ligo&o干涉仪中的总噪声,包括背景量子噪声和经典噪声。日常振动产生的噪音或干扰。然后,他们打开压缩器,并将其设置为特定的状态,以专门改变量子噪声的性质。在数据分析过程中,他们能够去除经典噪声,从而分离出干涉仪中的纯量子噪声。当探测器持续监测镜子对任何传入噪音的位移时,研究人员能够观察到仅仅量子噪音就足以使镜子位移10-20米。

Mavalvala指出,测量结果与量子力学的预测完全一致。但是,看到它在如此大的一部电影中得到证实,还是很了不起的。她说。

更进一步,研究小组想知道他们是否可以操纵量子压缩器来降低干涉仪内的量子噪声。挤压器的设计使其在设定到某一特定状态时就会挤压。量子噪声的某些特性,在这种情况下,相位和振幅。相位涨落可以被认为是由光传播时间中的量子不确定性引起的,而振幅涨落则将量子踢到镜子表面。

我们认为量子噪声沿不同的轴分布,我们试图在某些特定的方面减少噪声,Yu说。

当压缩器处于一定状态时,例如压缩或缩小相位的不确定度,同时膨胀或增大振幅的不确定度。对量子噪声进行不同角度的压缩,会使探测器产生不同的相位比和幅值比噪声。

研究小组想知道,如果改变这种压缩的角度,是否会在ligo&goo的激光器和它的反射镜之间产生量子关联,而这种关联也是他们可以测量的。为了验证他们的想法,研究小组将压缩器设置为12个不同的角度,结果发现,他们确实可以测量激光中量子噪声的不同分布与反射镜运动之间的相关性。

通过这些量子关联,研究小组能够将量子噪声以及由此产生的镜像位移压缩到正常水平的70%。顺便说一句,这个测量值低于所谓的标准量子极限。在量子力学中,标准量子极限表示给定数量的光子,或者在里哥的情况下,一定程度的激光功率,预期会产生一定的最小量子涨落,从而产生特定的刺激。对其路径上的任何物体。

通过在LIGO测量中使用压缩光来减少量子噪声,该团队已经使测量比标准量子极限更精确,在某种程度上减少了噪声,这将最终帮助LIGO探测更微弱、更遥远的引力波源。

参考文献:光与里哥的千克镜之间的量子关联作者:Haocun Yu, L. McCuller, M. Tse, N. Kijbunchoo, L. Barsotti, N. Mavalvala和LIGO科学合作的成员,2020年7月1日,自然。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2420 - 8

这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会。

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