去除量子噪音，让引力波探测更上一层楼

原文以Tricks to mute quantum noise aid hunt for gravitational waves为标题

发布在2017年7月12日的《自然》新闻上

原文作者：Elizabeth Gibney

位于德国汉诺威的GEO600引力波探测器正测试将部署于如LIGO的较大引力波天文台的技术。

引力波天文台有一些地球上最灵敏的探测器，即使是在距离地球数十亿光年之外，大质量黑洞发生碰撞而产生并穿过地球的微弱时空涟漪，它们也能探测到。但是受到基本量子极限的约束，它们难以捕捉更加细微的信号。现在物理学家正想方设法来解决这个问题。他们的目标是能更进一步地窥视宇宙并观测质量不如黑洞的星体 （如中子星） 发生碰撞的效应。

位于德国汉诺威的GEO600引力波探测器正测试将部署于如LIGO的较大引力波天文台的技术。

DPA Picture Alliance/Alamy

设于美国的先进激光干涉仪引力波天文台 （LIGO） 已经计划使用光子技术来“压缩”光。这应能使LIGO的灵敏度提高50％。引力波研究界以外的量子物理学家们也纷纷怀着奇思妙想投身于此。在7月份的一期《自然》杂志上，他们描述了一种在理论上能够让探测器灵敏度翻番的技术。

哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的物理学家Eugene Polzik领导了这项最新研究，他说：“我们一直都在急切寻找已经达到量子极限的应用。”

LIGO的量子极限

位于华盛顿州汉福德市和路易斯安那州利文斯顿市的每个LIGO探测器均由两条相互垂直的4公里长的隧道组成，隧道两端均安有镜子。一束激光被分裂后沿着每个隧道来回反弹。引力波会拉伸其中一臂并压缩另一臂。这样，光之后会沿着每个臂行进不同的距离，所以当它们重新组合时，两个光束已不同步。使用这种方法，LIGO可以探测到小至 10 ^–19 米的偏移——约为质子宽度的万分之一。

工程师们保护LIGO免受远处卡车隆隆声的影响，并补偿微小的温度涨落。但激光的量子特性会在测量中产生根本的不确定性。科学家们不可能准确地知道到达LIGO探测器的激光束中究竟有多少个光子，从而在距离测量中产生噪音。光子在撞到LIGO的镜子上时也会给镜子施加碰撞的动量。当光子数发生涨落时，它们会使镜子移动不可知的量，从而会增加更多的不确定性。