“宇宙的怪异爆米花”揭示：量子波动可以在人类规模上拼接对象

麻省理工学院物理学家观察到利戈的40公斤镜子可以响应微小量子效应而移动。在这张照片中，一个Ligo Optics技术员检查了Ligo的镜子之一。

研究显示Ligo的40公斤镜子可以回应微小量子效果，揭示了“宇宙的幽灵爆发”。

宇宙通过量子力学镜头看，是一种嘈杂的噼啪声，粒子不断眨眼，不存在，产生衡量的背景，其效果通常太微小以在日常物体中检测。

现在，由MIT Ligo实验室的研究人员领导的团队首次测量了量子波动对人类规模对象的影响。在2020年7月1日发布的论文中，研究人员报告了观察量子的波动，微小，因为他们可能是一个，可以“踢”一个像美国国家科学基金会的激光干涉仪40公斤镜子一样大的物体引力波天文台（Ligo），导致他们通过小程度移动，该团队能够衡量。

事实证明，Ligo的探测器中的量子噪声足以使大型镜子移动10-20米 - 对于这种尺寸的物体的量子力学预测的位移，但从未测量过。

“氢原子是10-10米，所以镜子的这种位移是氢原子对我们来说是什么 - 我们测量的，”麻省理工学院的天体物理学和空间研究所的研究科学家Lee McCuller说研究。

研究人员使用了一种特殊的仪器，它们设计称为Quantum挤压器，以“操纵探测器的量子噪音并减少对镜子的踢球，以便最终提高Ligo在探测引力波方面的敏感性，”Haocun Yu，a物理研究生麻省理工学院。

“关于这个实验的特别是对人类的巨大影响是什么，”麻省理工学院的物理部门和物理部门负责人，“诺格迪斯·米瓦拉说，”麻省理工学院的物理系。“我们也是，我们存在的每一个纳秒都被踢了一下，被这些量子波动缓冲了。这只是我们存在的抖动，我们的热能，对于这些量子真空波动来说太大，以便可测量地影响我们的运动。通过利诺的镜子，我们已经完成了所有这项工作来将它们与热驱动的运动和其他力量隔离，因此它们现在仍然足以被量子波动和宇宙的这一怪异的爆米花踢。“

Yu，Mavalvala和McCuller是新论文的共同作者，以及Maggie TSE和首席研究科学家Lisa Barsotti的研究生，以及Ligo科学合作的其他成员。

量子踢

Ligo旨在检测从灾难达到地球的引力波，距离灾难数百万到数十亿光年。它包括双探测器，一个在Hanford，华盛顿州，另一个在Louisiana的LiveSton。每个探测器都是一个由两个4公里长的隧道组成的L形干涉仪，最后悬挂了40千克镜子。

为了检测引力波，位于Ligo干涉仪的输入的激光器向探测器的每个隧道中发送一束透光，在那里它在远端反射镜子，以回到其起点。在没有引力波的情况下，激光应该在相同的确切时间返回。如果引力波通过，则会简要扰乱镜子的位置，并因此扰乱激光器的到达时间。

已经完成了从外部噪声屏蔽干涉仪的情况下，使得探测器具有更好的机会挑选由进入的引力波创造的非常微妙的障碍。

Mavalvala和她的同事想知道Ligo是否可能足够敏感，仪器甚至可能感到镜头效应，例如干涉仪本身内的量子波动，具体而言，Ligo激光器中的光子中产生的量子噪声。

“激光中的这种量子波动会导致实际踢到物体的辐射压力，”McCuller增加。“我们的案例中的对象是一个40公斤的镜子，这比其他组测量这种量子效应的纳米级对象重。”

噪音挤压器

要了解他们是否可以衡量Ligo的巨大镜子的运动，以响应微小的量子波动，团队使用他们最近作为附加到干涉仪建造的乐器，它们称之为量子挤压器。通过挤压器，科学家可以调整Ligo干涉仪内量子噪声的性质。

该团队首先测量了Ligo的干涉仪内的总噪声，包括背景量子噪声，以及“经典”噪声，或从正常，日常振动产生的干扰。然后它们转动挤压器并将其设置为特定状态，具体地改变量子噪声的性质。然后，它们在数据分析期间能够减去经典噪声，以隔离干涉仪中的纯量噪声。由于探测器不断监视镜子的位移到任何传入噪声，研究人员能够观察到单独的量子噪声足以使镜子置换10-20米。

Mavalvala注意到测量线完全以Quantum Mechence预测的方式完全相同。“但仍然是看不见的，看到它在这么大的事情中得到证实，”她说。

进一步逐步，团队想知道它们是否可以操纵量子挤压器以减少干涉仪内的量子噪音。挤压器设计成使得当它设置为特定状态时，在这种情况下，它“挤压”量子噪声的某些性质，在这种情况下，相位和幅度。相位波动可以被认为是从光的行进时间中的量子不确定性引起的，而幅度波动赋予镜面朝向镜面。

“我们认为沿着不同轴分布的量子噪音，我们试图降低一些特定方面的噪音，”余说。

当挤压器被设置为某个状态时，它可以例如在相位同时挤压或缩小不确定性，同时扩张或增加幅度的不确定性。挤压不同角度的量子噪声会在利波探测器内产生不同的相位和幅度噪声的比率。

该集团想知道改变此挤压的角度是否会在Ligo的激光器和镜子之间产生量子相关性，以便它们也可以测量。测试他们的想法，团队将挤压器设置为12个不同的角度，发现，实际上，它们可以测量激光器中的量子噪声的各种分布与镜子的运动之间的相关性。

通过这些量子相关性，团队能够挤压量子噪声，并将结果镜位移挤压，下降到70％的正常水平。顺便提及，该测量低于称为标准量子限制的标准量子限制，在量子力学中，在量子力学中，指出给定数量的光子，或者在Ligo的情况下，预期一定水平的激光功率会产生一定的量子波动将在路径中为任何对象生成特定的“踢”。

通过使用挤压光来降低LIGO测量中的量子噪声，该团队已经比标准量子极限更精确，降低了最终帮助利加焦点以检测到更微弱的，更远距离引力源的噪音。

参考：Haocun yu，L.McCuller，M.TSE，N.Kijbunchoo，L.Barsotti，N.Mavalvala和Ligo Scientific Collaboration的成员，L.Mcculler，N.McCuller，N.McCuller，N.McCuchoo，N.Moculti，7月1日，199月1日，L. Barsotti，Niply .doi：
10.1038 / S41586-020-2420-8

这项研究部分由国家科学基金会资助。