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!

2020-11-30 騰訊網

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。當它在2000年開始觀測時，TAMA300是世界上最早的大規模幹涉引力波探測器之一，當時，TAMA300的靈敏度還是世界上最高的。

TAMA300還對引力波信號的強度設定了上限；但15年後的2015年，LIGO首次探測到了實際的引力波。從那時起，探測器技術已經改進到現代探測器每月觀測幾個信號的地步。從這些觀測中獲得的科學成果已經令人印象深刻，預計在接下來的幾十年裡還會有更多成果。TAMA300不再參與觀測，但仍被用作改進其他探測器的新技術試驗臺。目前和未來引力波探測器的靈敏度，幾乎在所有頻率都受到電磁場真空漲落效應引起的量子噪聲限制。

但即使是這種固有的量子噪音也可以迴避，有可能操縱真空漲落來重新分配量子不確定性，以增加另一種不同、障礙性較小類型的噪聲為代價來減少一種類型噪聲。這種被稱為真空壓縮的技術已經在引力波探測器上實現，極大地提高了它們對更高頻率引力波的靈敏度。但是，電磁場與探測器反射鏡之間的光機相互作用，使真空壓縮效應隨頻率的變化而變化。因此，在低頻下，真空壓縮會增加錯誤類型的噪聲，實際上會降低靈敏度。

為了克服這一限制並降低所有頻率的噪音，日本國家天文臺(NAOJ)一個由內部引力波科學項目和KAGRA合作(但也包括Virgo和GEO合作的研究人員)成員組成的團隊，現在證明了一種稱為頻率依賴真空壓縮的技術，在引力波探測器有用頻率上的可行性。

由於探測器本身與電磁場相互作用隨頻率的不同而不同，研究小組使用了以前的TAMA300探測器基礎設施來創建一個本身隨頻率變化的磁場。正常的（與頻率無關）壓縮真空場從300米長的光腔反射，從而印記頻率依賴關係，並且它能夠抵消幹涉儀的光學機械效應。

這項技術將能同時提高高頻和低頻的靈敏度。這是一個關鍵的結果，展示了提高未來探測器靈敏度的關鍵技術。它的實施計劃作為近期升級，加上其他改進，預計將使第二代探測器的觀測範圍翻一番。其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上，用於先進引力波探測器寬帶量子噪聲降低的頻變壓縮真空源，麻省理工學院的一個研究小組使用16米長的濾光腔也得到了類似結果，這兩研究篇論文將聯合發表。

博科園｜研究/來自：國立自然科學研究院

參考期刊《物理評論快報》

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