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[新浪科技综合]光量子挤压器：室温下降低量子噪声的新技术新浪科技综合2020-08-17 12:25:350阅( 二 )


为此 ， 研究人员设计了新的光量子挤压器 ， 其核心部件是由砷化镓和砷化镓铝的交替层制造而成的70微米宽的反射镜 。 这两种晶体材料都具有纯净且高度有序的原子结构 ， 只会吸收很少的热量 ， 将使热量驱动的电子碰撞被极大地抑制 。 这就意味着镜片的振动主要将由激光的辐射压所导致 ， 而不是由于热涨落产生的抖动 ， 因而也就无须外部系统来冷却 。
这篇论文的第一作者Nancy Aggarwal解释说：“在无序的材料中 ， 电子有很大的空间可以四处移动并碰撞 ， 产生热运动 。 而在更为有序和纯净的材料中 ， 则只有较小的空间将能量耗散掉 。 ”
利用新的光量子挤压器 ， 研究人员就能够描述当激光在两面镜子之间反弹时 ， 光的相位和振幅的量子涨落 。 这一特性使得室温下激光的量子噪声降低了15% ， 产生了可用于精确测量的挤压光 。
帮助探测到更微弱的引力波
事实上 ， 麻省理工学院LIGO实验室的研究人员已经将这个光量子挤压器安装在LIGO的探测器上 ， 用来研究干涉仪内激光产生的量子噪声 。
2015年9月14日 ， LIGO第一次探测到了两颗巨大黑洞碰撞产生的引力波 。 当两颗巨大的天体碰撞时 ， 时空被有节奏地拉伸和压缩 ， 如水中涟漪般传播出去 ， 这就是引力波 。 不同于一般天文望远镜观测的光波和其他电磁波 ， 或者宇宙射线中的粒子 ， 引力波的信号要微弱得多 。 例如 ， 当那次引力波经过遥远的距离到达地球时 ， 它的振幅已经衰减到仅相当于原子核大小的数千分之一 。 而LIGO就是被设计用来探测这些来自遥远宇宙的微弱信号 。
LIGO主要由两个探测器组成 ， 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形的干涉仪 ， 由两个垂直的4公里长的臂组成 。 在两条臂的末端各悬挂着一个40公斤重的镜片 ， 形成一个光学共振腔 。 激光从干涉仪的激光器发出 ， 分光镜会将其分成两束完全相同的光 。 激光到达镜面后反射回起点 ， 并产生干涉图样 。 如果没有引力波的干扰 ， 这两束激光会恰好在同一时间返回 ， 并完全抵消 。 而如果此时引力波恰好经过地球 ， 它会短暂地扰动干涉仪臂的长度 ， 拉伸其中一个 ， 而压缩另一个 ， 这样两束激光行经的距离不再相同 ， 它们返回时不再能完全抵消 ， 从而可以探测到光干涉信号 。
[新浪科技综合]光量子挤压器：室温下降低量子噪声的新技术新浪科技综合2020-08-17 12:25:350阅
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图4/6LIGO探测引力波的原理示意图 。 | 来源：nobelprize.org要用如此巨大的设备来测量比原子核还要小得多的距离变化 ， 研究人员需要做大量的工作来避免外部噪音对干涉仪的扰动 。 无论是附近道路上经过的卡车 ， 还是树林里的落叶 ， 都不能让干涉仪产生晃动 。 镜面上原子的热运动、激光产生的量子噪声也都应该剔除掉 。 只有当引力波信号产生的影响比这些扰动更大时 ， LIGO干涉仪才能探测到引力波 。 而如果降低辐射压噪声 ， 也就有可能探测到更微弱的引力波信号 。 研究人员想要知道 ， 新的光量子挤压器是否可以用来降低探测器内的背景量子噪音 ， 即LIGO的激光产生的散粒噪声与辐射压噪声 ， 从而最终提高LIGO探测引力波的灵敏度 。
他们首先测量了LIGO干涉仪内部的总体噪声 ， 这既包括量子噪声 ， 也包括经典噪声 ， 即热量涨落以及日常现象产生的振动干扰等 。 在从数据中剔除掉经典噪声后 ， 他们观察到 ， 干涉仪内的辐射压噪声足以使40公斤重的镜片移动约10-20米（作为对比 ， 氢原子的直径约为10-10米） ， 也就是说 ， 它会对宏观物体施加可测量的力的作用 。
接下来 ， 研究人员打开光量子挤压器 ， 从不同角度挤压LIGO干涉仪内的激光 ， 以改变振幅和相位的不确定性的比率 。 结果发现 ， 挤压光会导致LIGO的激光相位的不确定性（导致散粒噪声）和镜面位置的不确定性（导致辐射压噪声）之间产生关联 ， 由此产生的组合量子噪声只有标准量子极限的70% 。
这是人们第一次在引力波探测中实现量子非破坏性测量 。 在量子非破坏性测量中 ， 量子关联的存在阻止了系统对测量的信息的破坏 ， 因而可以连续、精确地测量一些物理量 ， 例如LIGO干涉仪中镜片的移动 。
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图5/6LIGO/Virgo 探测器可以探测的天体质量 。 图中展示了相互绕转的两个天体发生碰撞前各自的质量 ， 以及碰撞后合并形成的天体的质量 。 | 来源：LIGO-Virgo/Northwestern Univ 。 /Frank Elavsky【[新浪科技综合]光量子挤压器：室温下降低量子噪声的新技术新浪科技综合2020-08-17 12:25:350阅】从2019年4月1日开始 ， LIGO探测器启动了它的第三轮观测计划 ， 并且已经安装了新的光量子挤压器来提高引力波探测器的灵敏度 。 在此之前 ， 引力波探测器往往并不考虑激光相位与干涉仪镜片之间的关联 ， 但新的光量子挤压器可以从不同角度挤压激光 ， 改变其振幅和相位不确定性的比率 ， 使得散粒噪声与辐射压噪声的总和最小 ， 这将最大限度地提高LIGO探测器的灵敏度 。 随着引力波探测灵敏度的提高 ， 我们将有可能探测到更微弱、更遥远的引力波 。 除此之外 ， 对于量子噪声限制了更精确测量的其他领域 ， 光量子挤压器也将发挥重要作用 。


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