MIT：測(cè)量量子波動(dòng)在人類(lèi)尺度上對(duì)物體的宏觀影響

從量子力學(xué)的角度看，宇宙是一個(gè)嘈雜的、破裂的空間，在該空間中，粒子不斷閃爍、不停地存在，并形成了量子噪聲的背景，通常在日常物體中檢測(cè)不到這種效應(yīng)的微妙效果。

麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在第一次測(cè)量了這種量子波動(dòng)在人類(lèi)尺度上對(duì)物體的宏觀影響。該最新研究成果論文發(fā)表在今天的《自然》雜志上。

論文第一作者與通訊作者，為麻省理工學(xué)院物理系研究生、中國(guó)學(xué)者于浩村（Yu， Haocun）。她于2015年畢業(yè)于英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院，以后到美國(guó)麻省理工學(xué)院從事對(duì)引力波檢測(cè)及其LIGO干涉儀的壓縮和量子相關(guān)性的研究。她自我介紹說(shuō)，除了物理，她喜歡游泳、騎馬和玩琴。

研究報(bào)告指出，盡管微觀量子波動(dòng)是如此微小，但證明仍可以“踢動(dòng)”一個(gè)像激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）里的40公斤鏡子一樣大的物體，使這個(gè)物體移動(dòng)了很小的幅度，但研究團(tuán)隊(duì)可以測(cè)量出來(lái)。

他們所測(cè)得證明，LIGO探測(cè)器中的量子噪聲足以將大型反射鏡移動(dòng)10的負(fù)20方米，這種位移是由量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的，對(duì)于這種大小的宏觀物體，過(guò)去從未如此測(cè)量過(guò)。

論文第二作者、麻省理工學(xué)院卡夫里天體物理與空間研究所的研究科學(xué)家、李·麥卡勒（Lee McCuller）說(shuō)：“一個(gè)氫原子是10的負(fù)10次方米，所以鏡子的位移相當(dāng)于是氫原子的位移，我們對(duì)此進(jìn)行了測(cè)量?！?/p>

于解釋說(shuō)，研究人員使用了他們?cè)O(shè)計(jì)的一種特殊的工具，稱(chēng)為量子擠壓器（quantum squeezer），以“操縱探測(cè)器的量子噪聲并減少其對(duì)反射鏡的撞擊，從而最終可以提高LIGO在探測(cè)引力波方面的靈敏度”。如圖所示量子擠壓器的原理。

由于引力波作用，引力波檢測(cè)器的一只長(zhǎng)臂受到了擠壓。振幅和相位的不確定性之間具有相關(guān)性的光被稱(chēng)為“壓縮”的。引力波探測(cè)器包含光腔，該光腔由懸掛在鐘擺上并間隔數(shù)公里的反射鏡組成。光以“未壓縮”狀態(tài)進(jìn)入腔體，也就是說(shuō)，與光的相位和振幅有關(guān)的量子漲落（測(cè)量概率分布中的不確定性）彼此不相關(guān)。反射鏡的振蕩運(yùn)動(dòng)是由循環(huán)光的輻射壓力引起的，導(dǎo)致陷在腔中的光發(fā)生相移，并在振幅和相位之間產(chǎn)生量子相關(guān)性（稱(chēng)為質(zhì)動(dòng)力效應(yīng)）。因此，從腔中出來(lái)的光被擠壓了。對(duì)于此示例，已減小了相位不確定性，而增加了幅度不確定性。在不同的信號(hào)觀察頻率下，光可能會(huì)被另一種方式擠壓-相位不確定性增加且幅度不確定性降低。這種效應(yīng)可以用來(lái)提高重力波探測(cè)器的測(cè)量精度，從而超過(guò)精度的固有極限（標(biāo)準(zhǔn)量子極限）。研究還表明，輻射壓力噪聲（空腔中捕獲的光在公斤級(jí)反射鏡上產(chǎn)生的力的微小變化）有助于懸置反射鏡的運(yùn)動(dòng)。

論文作者、麻省理工學(xué)院物理系教授納爾吉斯·馬瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）說(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)的特別之處在于我們已經(jīng)看到了像人類(lèi)一樣宏觀的量子效應(yīng)?！?“我們自己實(shí)際上每一納秒都在被這些量子抖動(dòng)所影響。因?yàn)槲覀兇嬖谧约旱亩秳?dòng)，即我們的熱能，所以對(duì)于這些量子漲落來(lái)說(shuō)太大了，難以測(cè)量到它們的運(yùn)動(dòng)?！蓖ㄟ^(guò)LIGO引力鏡，我們可以做這樣的工作，將它們與熱驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和其它作用力分隔開(kāi)，這樣它們現(xiàn)在微觀的量子漲落可以在宇宙宏觀的角度被觀察到。

LIGO旨在檢測(cè)從數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億光年的波變?cè)吹竭_(dá)地球的引力波。它包括兩個(gè)雙探測(cè)器，一個(gè)在華盛頓州，另一個(gè)在路易斯安那州。每個(gè)檢測(cè)器都是一個(gè)L形干涉儀，由兩個(gè)4公里長(zhǎng)的隧道組成，在其末端懸掛有40公斤的反射鏡。

為了檢測(cè)引力波，位于LIGO干涉儀輸入端的激光沿著檢測(cè)器的每個(gè)通道發(fā)送光束，在該通道的遠(yuǎn)端從反射鏡反射回來(lái)，返回到其起點(diǎn)。在沒(méi)有引力波的情況下，激光應(yīng)在相同的精確時(shí)間返回。如果引力波通過(guò)，它將短暫地干擾反射鏡的位置，從而干擾激光的到達(dá)時(shí)間。

于說(shuō)：“我們認(rèn)為量子噪聲是沿不同軸分布的，我們?cè)噲D在某些特定方面降低噪聲?！碑?dāng)壓縮器設(shè)置為特定狀態(tài)時(shí)，它可以例如壓縮或縮小相位不確定性，同時(shí)擴(kuò)大或增加幅度的不確定性。以不同角度擠壓量子噪聲將在LIGO探測(cè)器中產(chǎn)生不同比例的相位噪聲和幅度噪聲。

通過(guò)使用擠壓光來(lái)減少LIGO測(cè)量中的量子噪聲，該團(tuán)隊(duì)已使測(cè)量比標(biāo)準(zhǔn)量子極限更加精確，從而將最終幫助LIGO檢測(cè)微弱、更遠(yuǎn)、更多的引力波?！蹲匀弧冯s志專(zhuān)題評(píng)論文章指出，這一重要技術(shù)將有可能迎來(lái)一個(gè)引力波檢測(cè)的新時(shí)代。