量子技術取得成果，引力波可以被看見

2020-08-10 天文在線

地面上的儀器，試圖讓世人「看見」，宇宙深處的漣漪。

圖解：處女座天文臺研究人員正在壓縮光

圖源：H. Lück/B. Knispel/馬克思·普朗克引力物理研究所

物理學家們正在匯報一項測試的結果，該測試旨在壓縮宇宙內的真空，以便更好地檢測碰撞黑洞產生的

。

像兩個黑洞或者兩個超新星相互碰撞這樣極端地外事件，可能會在太空中產生稱為引力波的漣漪。在地球上，一個天文臺試圖使用雷射來探測這些漣漪，但由于波的影響是如此微妙，即使是內置在真空中的隨機性也會影響實驗的靈敏度。但是通過幾十年研究出的這種新方法已經使研究人員能夠降低這種幹擾並擴大引力波探測的範圍。

這項研究的人員之一，工作在LIGO的麻省理工學院卡弗裡天體物理與空間研究所首席研究員、科學家麗薩·巴索蒂（Lisa Barsotti）表示：「該方法能使我們擴大探測引力波的範圍。」

圖解：引力波模型

圖源：T. Pyle/加州理工/麻省理工學院/雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）實驗室

雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）和處女座引力波天文臺依靠的是重疊雷射束產生而幹涉圖樣的原理。雷射束進入光學元件，而後被分成兩束，每束光分別沿著兩條兩公裡長的管道到達鏡面，然後被鏡子反射並與光學元件重新結合。光（甚至是雷射）會以波的形式傳播，因此，當光束重新匯聚在一起時，它們會形成一個新的波。引力波通過時會稍微改變其中一個雷射束的傳播距離，當雷射束彼此同相和異相傳播時，雷射束的籤名會留在相應的最終波上。

但是，在重新組合雷射之後，它必須穿過機器真空內的量子漲落。量子力學的一個結論，即控制亞原子粒子如何相互作用的理論，它提出：在最小尺度上，能量存在大小浮動。這些波動為光粒子到達檢測器的時間帶來了一定程度的不確定性，這限制了檢測器的靈敏度，因為很難看到引力波呈現的光相位的變化。現在，物理學家已經找到了一種在實驗的最後一步引入「壓縮真空態」的方法來抑制那些量子波動。

量子力學的核心原理之一是海森堡不確定性原理，它提出：某些特定的屬性對，例如粒子的位置、動量或能量、到達時間，無法同時被精確地測量。增加其中一個值的精度會降低另一個值的精度，反之亦然。壓縮是一種提高物理學家更感興趣的值的精度（並降低噪聲）的方法，而這卻以犧牲其他值的精度為代價。

圖解：黑線顯示給定頻率下的噪聲量，沒有壓縮；綠色顯示了壓縮的效果——噪音更少

圖源：LIGO

噪聲抑制機制的主力軍是一種具有可調光學特性的特殊晶體。晶體將穿過它的雷射束與真空的能量波動聯繫起來，從而使研究人員可以建立一個新的領域，在該領域中，他們已經將他們更感興趣的特性（相位）的噪聲轉移到了他們不那麼感興趣的特性（幅度）上。他們將這些光傳回幹涉儀的輸出端，在那裡用新的壓縮場代替了嘈雜的真空，這樣最終雷射輸出時相位的噪音更小，而幅度的噪音較大。為了減少晶體本身帶有的雜散光產生的噪聲，擠壓器的核心組件位於LIGO真空裝置內。研究人員在《物理評論快報》上發表的論文中報導了這種方法成功應用在今天的LIGO和處女座引力波天文臺的探測器中的消息。

這太重要了。澳大利亞國立大學物理學教授平高林（Ping Koy Lam）並未參與這項研究，但他致力於引力波探測器壓縮時空的實驗，他在電子郵件中告訴天文在線：「這項成果很好地證明了量子技術如何增強精密儀器並突破科學的界限。」

天下沒有免費的午餐——振幅噪聲出現在其他地方，從而導致低頻引力波的不確定性略有增加。麻省理工學院天體物理學教授納爾吉斯·馬瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）告訴天文在線，未來，物理學家希望減小低頻引力波的振幅，增大高頻引力波的相位。

LIGO和處女座引力波天文臺現在通過這種壓縮的方法來提高靈敏度，繼續從碰撞的黑洞中尋找引力波。但是對於論文的主要作者，研究生瑪格謝（Maggie Tse）來說，最令人興奮的事情之一是看到原本難以理解、難以測量的量子物理學世界經常出現在現實生活中。她告訴天文在線：「將令人捉摸不透的量子態轉變為有形的東西，這太神奇了。」

作者: Ryan F. Mandelbaum

FY: 舞馬

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 量子技術將使引力波探測儀小型化
    倫敦大學學院（UCL）領導的一項新研究表明，可以用微小的鑽石晶體製作一種非常靈敏的小型重力探測器，用它能夠測量出引力波。這種基於量子技術的探測儀，僅為目前使用的引力波探測器的1/4000，可以探測到中頻引力波。此研究成果發表在7月1日出版的《新物理雜誌》上。
  • 《科學》公布2017年度十大突破:人類首次「看見」引力波摘下桂冠
    《科學》公布2017年度十大突破：人類首次「看見」引力波摘下桂冠  Evelyn Zhang • 2017-12-25 14
  • LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)可以觀測量子引力嗎?
    愛因斯坦的廣義相對論（general relativity）預測說：加速中的大質量物體會發射引力波。直至上周，在這個預言後的一個世紀，LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)聯合實驗室宣布他們首次探測到了引力波。不過這僅僅是開始——我們可以期待更多的成果，把愛因斯坦理論的實證研究準確性提升至前所未有的水平。
  • LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)可以觀測量子引力嗎？
    不過這僅僅是開始——我們可以期待更多的成果，把愛因斯坦理論的實證研究準確性提升至前所未有的水平。LIGO的結果對於那些努力探索量子引力理論的物理學家們意味著什麼呢？——廣義相對論跟量子引力學之間的關聯到底缺失了什麼？
  • 量子信息、中國天眼……「率先行動」計劃取得這些重大成果
    駱雲飛 攝在回應「率先行動」計劃第一階段取得了很多重大的成果，具體在哪些領域取得了哪些代表性、標誌性成果時，白春禮指出，六年來科學院充分發揮多學科、建制化的綜合優勢，廣大科技人員攻堅克難、勇攀高峰，「率先行動」計劃第一階段科技產出目標任務圓滿完成，產出了一大批重大成果。
  • 量子信息、中國天眼……「率先行動」計劃取得這些重大成果
    駱雲飛 攝在回應「率先行動」計劃第一階段取得了很多重大的成果，具體在哪些領域取得了哪些代表性、標誌性成果時，白春禮指出，六年來科學院充分發揮多學科、建制化的綜合優勢，廣大科技人員攻堅克難、勇攀高峰，「率先行動」計劃第一階段科技產出目標任務圓滿完成，產出了一大批重大成果。白春禮表示，在量子信息和凝聚態物理方面，中科院在國際上達到了並行領跑。
  • 攻克引力波探測器,受電磁場真空漲落效應,引起的量子噪聲限制!
    日本國家天文臺科學家利用位於東京三中的前TAMA300引力波探測器的基礎設施，展示了一種降低探測器中量子噪聲的新技術。這項新技術將提高探測器的靈敏度，這些探測器組成了一個合作的全球引力波網絡，能夠觀測到更微弱的引力波。
  • 中國科學家助力 「看見、聽見」引力波
    中國科學家助力 「看見、聽見」引力波 一秒鐘處理上萬個引力波數據　　北京時間昨晚10點，美國國家航空航天局、歐洲南方天文臺、南京紫金山天文臺等全球數十家科學機構宣布首次直接探測到了壯麗的雙中子星合併產生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號。
  • 人類首次「看見」引力波意味著什麼?
    新華社北京１０月１６日電　題：人類首次「看見」引力波意味著什麼？　　新華社「中國網事」記者　　國際天文界再次被引力波刷屏。多國科學家１６日宣布，人類首次直接探測到雙中子星合併產生的引力波及其伴隨的電磁信號。中子星引力波怎麼探測？引力波解答了哪些疑問？還有哪些未解之謎？
  • 利用發現引力波的原理來挖石油,量子設備的商業化趨勢已現
    除此之外，建築公司也可以使用量子重力儀定位地下管道，以防不慎挖開錯誤的道路，造成管道破壞和後續經濟損失。因此，所有的量子系統或設備都必須非常仔細地被放置於屏蔽外界幹擾的場所。這些條件限制了它們在現實世界中的應用。不過，隨著雷射冷卻等技術的進一步發展，研究人員對解決這些問題還是非常有信心。事實上，以原子幹涉儀為代表的量子精密測量技術一直走在量子科學發展的前沿。
  • 讓引力波撥動太空中的琴弦：我國太空探測引力波計劃取得進展
    北京時間8月21日凌晨，國際學術期刊《經典和量子引力》（Classical Quantum Gravity）刊發「天琴一號」試驗衛星第一輪實驗結果。「天琴計劃」首席科學家羅俊說，「天琴一號」的核心任務是驗證空間慣性基準技術，這是空間引力波探測技術體系中的核心技術之一，包括高精度慣性傳感、微牛級連續可調微推進和無拖曳控制三大關鍵技術，以及高精度雷射幹涉測量技術、高穩定度溫度控制技術和高精度質心控制技術。
  • 雷射幹涉引力波天文臺能探測量子引力嗎?
    愛因斯坦的廣義相對論預言質量加速發出引力波。在做出這個預言的一個世紀後，雷射幹涉引力波天文臺團隊宣布他們首次直接探測到引力波。但這只是一個開始—我們期待更多的發現，這些將以前所未有的準確度驗證愛因斯坦的理論。這，如果有的話，對科學家為尋找量子引力的理論—仍缺失的廣義相對論和量子力學的組合—而付出的努力來說意味著什麼？
  • 中國量子通信技術取得多項突破性進展
    量子通信因此被看作信息安全傳輸的「保護盾」，為破解信息加密「瓶頸」提供了解決方案。近年來，中國量子通信技術取得多項突破性進展。「墨子號」的發射為通過太空「量子傳密」提供了可能。今年，中國科學家在量子通信領域同樣取得諸多成果——3月，中國科學技術大學潘建偉團隊等研究人員實現了500公裡級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公裡，創造了新的世界紀錄。
  • 引力波來自於廣義相對論，但卻可能揭示世界的量子本質
    但通過最近LIGO對引力波的直接觀測，讓我們第一次有了理由相信這種引力波就是揭示引力的量子本質的關鍵。接下來講的就是我們如何證明它。 任何處在引力場中的質量體在加速時都會產生引力波，引力波是一種能量的傳遞形式，以光速向周圍傳播。
  • 「量子壓縮」升級LIGO 每周都能發現新引力波
    日前，來自麻省理工學院、加州理工學院、澳大利亞國立大學的聯合團隊在《物理評論快報》撰文披露，他們為LIGO安裝了名為「量子真空壓縮器」的神秘武器，使其探測能力顯著提升。據麻省理工學院官方報導，今年4月以來，在該設備的「加成」下，LIGO已經數十次捕獲引力波信號。 量子噪聲幹擾LIGO測量 LIGO使用「L」型的探測器來感知引力波。
  • 雲南量子通信關鍵技術取得新進展
    本報訊 記者冉光雯報導 近年來，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。如何在這場「量子較量」中把握先機，成為各國學者爭相搶佔的科研製高點。日前，好消息傳來，雲南大學量子信息研究團隊在量子通信領域取得新進展，關鍵技術指標達到了預期目標，將有力促進保密通信技術的探索與研究，同時有望在無人駕駛、醫學影像、雷射雷達等領域開展廣泛應用。
  • 雲南探索量子通信關鍵技術取得新進展
    如何在這場「量子較量」中把握先機，成為各國學者爭相搶佔的科研製高點。日前，好消息傳來，雲南大學量子信息研究團隊在量子通信領域取得新進展，關鍵技術指標達到了預期目標，將有力促進保密通信技術的探索與研究，同時有望在無人駕駛、醫學影像、雷射雷達等領域開展廣泛應用。
  • 浙工大一位院長發布了最新的量子精密測量研究成果
    前日，浙江工業大學理學院院長林強教授帶來了他的科技成果科普發布——《走進量子新時代，量子重力儀研發與應用》，這個平時埋頭鑽研的科學家，專門抽出時間向更多大眾傳播自己的研究成果。　　「習近平總書記指出，核心技術是國之重器，關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。」林教授說，在這一點上，他的感受非常深刻，選擇研究方向一定要和國家需求結合起來。　　從高度依賴進口儀器到擁有完全自主智慧財產權，量子重力儀的研發，歷時15年。
  • 新機制可測量量子輻射壓力噪聲 有助提高下一代引力波探測器靈敏度
    據英國《自然》雜誌25日發表的一項量子物理學最新研究，美國科學家團隊設計了一種將會影響下一代引力波探測器噪聲測量的機制，有助於開發降低這種噪聲的技術，從而大幅提高引力波探測的靈敏度。引力波探測意味著人類在前往未知世界的路上更進了一步。
  • 引力波或可助聲音無損耗傳遍宇宙
    而引力波正是時空中的漣漪。　　然而，廣義相對論提出近百年來，源於它的其他重要預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在於其信號極其微弱，技術上很難測量，因此也有人將之戲稱為「世紀懸案」「宇宙中最大的徒勞無益之事」。這次的新發現也意味著廣義相對論的勝利。　　廣義相對論並非完全是難以理解的數學。