超靈敏!研究人員用鑽石開發量子重力傳感器 大小僅為目前引力波...

2020-12-16 前瞻網

超靈敏！研究人員用鑽石開發量子重力傳感器 大小僅為目前引力波探測器的1/4000

 Evelyn Zhang • 2020-07-17 11:00:57　來源：前瞻網　E1290G0

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倫敦大學學院(UCL)、格羅寧根大學和華威大學的研究人員提出了一種基於量子技術的探測器，該探測器僅為目前使用的探測器的1/4000，並且可以探測中頻重力波。這項新研究表明，微小的鑽石晶體，可以用作能夠測量引力波的極其靈敏的小型引力探測器。

愛因斯坦的廣義相對論預測，引力波是由大質量物體的某些運動產生的時空波動。研究它們很重要，因為它們使我們能夠檢測宇宙中的事件，否則這些事件將很少或沒有可觀察到的光，例如黑洞碰撞。

2015年，雷射幹涉儀重力波天文臺（LIGO）和Virgo合作，首次對重力波進行了直接觀測。這些波是由兩個超大質量黑洞之間13億年前的碰撞而發出的，科學家們使用4公裡長的光學幹涉儀檢測到了它們。

上述這項發表在《新物理學雜誌》（New Journal of Physics）上的研究報告，詳細介紹了如何使用最新的量子技術和實驗技術來構建一種能夠同時測量和比較兩個位置的重力強度的探測器。

為使引力波探測儀更加精準，方便使用，來自UCL、格羅寧根大學和華威大學的研究人員試圖利用最先進的量子技術和實驗技術，建造一個能夠同時測量和比較兩個地點重力強度的探測器。

通過使用重量為10 ^ -17 kg的納米級金剛石晶體，它就可以運作。使用斯特恩-傑拉赫（Stern-Gerlach）幹涉法將晶體置於量子空間疊加中。空間疊加（Spatial superposition）是一種量子態，其中晶體同時存在於兩個不同的位置。

量子力學允許將物體（無論多麼大）一次在兩個不同的位置進行空間離域。儘管有悖常理，並且與我們的日常經驗有直接衝突，但量子力學的疊加原理已通過中子、電子、離子和分子的實驗得以驗證。

通訊作者Ryan Marshman（UCL物理與天文學和UCLQ）說：「使用疊加原理已經存在量子重力傳感器。這些傳感器用於測量牛頓重力，並製造出極其精確的測量設備。當前的量子重力傳感器使用的量子質量要小得多，例如原子，但是更深入的實驗，正在推進一系列新型幹涉測量技術，這些技術使我們的設備能夠更透徹地研究重力波。」

「我們發現，與LIGO相比，我們的探測器可以探測到不同範圍的引力波頻率。這些頻率只有在科學家在太空中建造大型探測器時才有可能使用，這些探測器的基線為數十萬公裡。」

研究小組設想，他們提出的較小的探測器可用於構建探測器網絡，該探測器網絡能夠從背景噪聲中提取出引力波信號。該網絡在提供正在產生重力波的物體具體位置的精確信息時，也可能很有用。

「雖然我們提出的傳感器在其應用範圍上很雄心勃勃（看似難以實現），但在使用當前和不久未來的技術來創建傳感器方面，似乎沒有任何根本性的或不可克服的障礙。」合著者Sougato Bose教授表示：「製造這種探測器的所有技術要素已在世界各地的不同實驗中分別實現：所需的力，所需的真空質量，將晶體疊置的方法。困難在於將所有這些放在一起並確保疊加保持完整。」

下一步是團隊與實驗人員合作，開始構建設備的原型。重要的是，如UCL和其他地方的最新研究所示，同一類檢測器也可以有助於檢測重力是否是量子力。

研究負責人之一瑞安·馬什曼（Ryan Marshman）表示：「實際上，我們最初的目標是開發可探索非經典重力的裝置。但是，由於要花費大量精力來實現這樣的設備，之後我們發現檢查這種設備對測量非常弱的經典重力（如重力波）的功效非常重要，並發現它很有希望！」

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：https://scitechdaily.com/tabletop-quantum-experiment-4000x-smaller-than-current-devices-could-detect-gravitational-waves/

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