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物理学家已经证明,量子波动会影响宏观物体发布时间:2020-07-10 12:49

在熟练的实验人员的手中,光可用作非常精确的测量探针。但是,光的量子性质对此类测量的精度提出了固有的限制。《自然》杂志刊发的论文称,使用激光干涉仪重力波天文台(LIGO)进行的实验已克服了这一限制。此外,论文作者报告了在室温下测量量子涨落对宏观物体的影响。

干涉仪用于测量由重力波引起的微小距离变化。在LIGO干涉仪中,将镜子放置在两个4公里长的腔体(臂)两端的千克质量测试对象上,每对镜子形成一个称为光学腔的系统。

为了衰减外部噪声,将测试质量块悬挂在摆锤上,摆锤只能以比用于检测重力信号的频率小得多的频率振荡。

激光则被分成两束,每束都沿着不同的臂发送,并在腔中的反射镜之间反射。当光束离开空腔时,它们会重新组合以产生干涉图样。

尽管有真空吸尘器的名称,但它并非完全是空的。它包含量子波动,这些波动会在光波的幅度和相位的测量中产生不确定性(在正弦波的情况下,相位描述了波形偏离与波周期开始相对应的最小幅度的偏移)。这些不确定性通过海森堡的不确定性原理进行量化。

光相位的测量值的波动会产生一种称为散粒噪声的现象,而光振幅的测量值的波动则会产生辐射压力噪声。两者的结合称为量子噪声,它限制了微小力和位移的测量精度。使用自然发生的量子态可以实现的任何测量的最高精度称为标准量子极限(SQL)。

SQL是海森堡不确定性原理的直接结果,该原理指出不可能以无限的精度同时测量对象的位置和动量。电磁场可以用数学方式描述为一组两个振荡分量:一个分量与波的振幅有关,另一个与波的相位有关。两者的波动也遵循海森堡不确定性原理。但是,如果有关这两个分量的不确定性的大小相互关联,则可以大大提高幅度和相位的测量精度。

当光在悬挂式干涉仪(例如LIGO使用的干涉仪)中传播时,这种相关性会自发产生。悬浮干涉仪可测量光波输出场的相位,它受输入真空场的幅度和相位波动的影响。这种相关被称为质动力作用。仪器的检测响应与频率有关,振幅波动的影响在检测频带的低频范围内更为明显,而相位波动在高频下更为明显。

振幅和相位的不确定性之间具有相关性的光被称为“压缩”的。海森堡原理仍然适用于压缩的光态,但是当不确定性之一减小时,另一个不确定性增大。可以在实验中使用压缩光以减少相关参数之一的不确定性。当光的平均振幅为零时,会形成一种特殊的情况,即被压缩的真空。

相位压缩光,在与该阶段相关联的不确定性被挤压时,已被用于降低散粒噪声两者LIGO和处女座引力波检测器。现在证实,LIGO干涉仪的光学腔中发生了磁致动力效应,并且已经研究了它是否可以与压缩真空状态结合使用以在腔中反射镜位置的测量中将量子噪声降低到SQL以下。

作者在两组实验条件下在LIGO干涉仪中测量了噪声:一种是在干涉仪的输出端口中注入了真空状态,另一种是没有注入了真空状态。然后,他们绘制了数据的灵敏度曲线,绘制了检测器中的噪声水平,并定义了可以根据信号频率检测到的最小重力信号。这表明,一旦从数据中减去经典(非量子)噪声,激光束相位和反射镜位置的不确定性就会在SQL之下产生组合的量子噪声。因此,光的量子涨落对宏观物体(40公斤的镜子)施加可测量的力。

这类测量的主要困难之一是热波动,它可以驱动镜面运动,并且是重力波探测器的主要噪声源之一。因此,已经需要在一些以前报道的实验低温条件,使量子噪声减少到小于SQL。令人印象深刻的是,科学家此次的测量是在室温下进行的。

一旦开发出更好的灵敏度,就可以检测到比目前更多的重力波。因此,将来在噪声抑制方面的工作将使我们进入一个引力波检测器的子SQL性能令人兴奋的时代。

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