LIGO新技术“挤压”出量子噪声,用于改进引力波探测

时间:2019-12-22 18:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

LIGO新技术“挤压”出量子噪声,用于改进引力波探测研究人员在LIGO的一个引力波探测器上安装了一个新的量子压缩装置。信贷:丽莎Barsotti

新仪器扩展了ligo的应用范围:技术挤压;发出量子噪声,这样就可以探测到更多的引力波信号。

就在一年前,美国国家科学基金会(National Science foundation)资助的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)每个月左右都会探测到引力波。现在,该系统的一个新功能是使仪器几乎每周都能探测到时空中的这些涟漪。

自今年4月LIGO第三次运行以来,一种被称为量子真空挤压器的新仪器已经帮助科学家们挑选出数十种引力波信号,其中包括一种似乎是由双星产生的引力波信号两个中子星的爆炸合并。

有了新的挤压技术,LIGO已经消除了这种混乱的量子裂纹,扩展了探测器;范围为15%。

科学家们所称的“挤压器”是由麻省理工学院的研究人员与加州理工学院和澳大利亚国立大学的合作者共同设计、制造并与LIGO的探测器集成的,他们在今天(2019年12月5日)发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中详细描述了它的工作原理。

乐器挤压的是什么是量子噪声;无限小的空间真空波动使它进入探测器。LIGO探测到的信号是如此之小,以至于这些量子,否则微小的波动会产生污染效应,有可能使引力波传入的信号变得模糊或完全掩盖。

LIGO新技术“挤压”出量子噪声,用于改进引力波探测量子压缩器的特写镜头将LIGO的探测范围扩大了50%。信贷:玛吉谢霆锋

“LIGO的激光是由光子组成的,这一事实与量子力学有关,”麻省理工学院的研究生Maggie Tse解释道。“如果你看得足够近,你会发现它实际上不是连续的激光流,而是由单个光子组成的嘈杂队列,每个光子都受到真空波动的影响。而连续的光流会在探测器中产生持续的嗡嗡声,而每个光子到达探测器时都会发出“砰”的一声。”

这种量子噪声就像背景中的爆玉米花一样,渗透到我们的干涉仪中,非常难以测量。麻省理工学院(MIT)天体物理学大理石教授、物理系副主任纳尔吉斯?马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)补充道。

这个扩展的范围使得LIGO几乎每周都能探测到引力波。

有了新的挤压技术,LIGO已经消除了这种混乱的量子裂纹,扩展了探测器;范围为15%。加上LIGO激光功率的增加,这意味着探测器可以识别出宇宙中某个源发出的引力波,这个源发出的引力波距离我们约140百万秒,也就是4亿光年远。这个扩展的范围使得LIGO几乎每周都能探测到引力波。

当探测率上升时,我们不仅会对已知的信息来源有更多的了解,因为我们有更多的东西要研究,而且我们发现未知事物的潜力也会随之而来。Mavalvala说,他是LIGO科学团队的长期成员。“我们正在撒网。”

这篇新论文的主要作者是研究生Maggie Tse和Haocun Yu,以及麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的首席研究科学家Lisa Barsotti,以及LIGO科学合作的其他人员。

量子限制

LIGO由两个相同的探测器组成,一个位于华盛顿州的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器由两个4公里长的隧道或臂组成,每个臂以“L”形从另一个伸出来。

为了探测引力波,科学家们从l型探测器的一角向每个手臂发射激光束,激光束的末端悬挂着一面镜子。每一束激光都从各自的反射镜反射回来,并沿每条手臂回到它开始的地方。如果引力波通过探测器,它会移动一面或两面镜子的位置,这反过来又会影响每个激光到达其原点的时间。科学家们可以测量这个时间来识别引力波信号。

激光测量不确定度的主要来源是激光周围真空中的量子噪声。虽然真空通常被认为是空间中的虚无,物理学家把它理解为一种亚原子粒子(这里是光子)不断被创造和破坏的状态,它们出现和消失的速度如此之快,以至于很难被探测到。这些光子的到达时间(相位)和数量(振幅)都同样未知,同样不确定,这使得科学家很难从由此产生的量子噪声背景中挑选出引力波信号。

然而,这种量子裂纹是恒定的,当LIGO试图探测更远、更微弱的信号时,这种量子噪声已经成为一个限制因素。

“我们正在进行的测量非常敏感,以至于量子真空很重要,”Barsotti笔记。

挤压“幽灵”噪音

麻省理工学院的研究团队在15年前就开始设计一种设备来压缩量子噪声中的不确定性,以揭示更微弱、更遥远的引力波信号,否则这些信号就会被量子噪声掩盖。

量子压缩是20世纪80年代首次提出的一种理论,其基本思想是量子真空噪声可以沿着两个主要轴表示为一个不确定的球体:相位和振幅。如果这个球体挤压,就像一个压力球,在某种程度上限制了球体沿振幅轴,这将有效收缩振幅的真空状态的不确定性(挤压压力球的一部分),同时增加阶段状态的不确定性(强调ball’ s流离失所,膨胀部分)。由于相位不确定性是造成LIGO噪声的主要原因,减小相位不确定性可以使探测器对天体物理信号更加敏感。

当这一理论在近40年前首次提出时,一些研究小组试图在实验室中建造量子压缩仪器。

第一次示威之后,一切归于平静。Mavalvala说。

“建筑挤压机的挑战在于,挤压后的真空状态非常脆弱和脆弱,”谢霆锋补充道。“要把压缩的球完整地从产生它的地方送到测量它的地方,难度大得惊人。任何失误,球都可以弹回原状。”

“我们有这种令人毛骨悚然的量子真空,我们可以在不违反自然规律的情况下操纵它,然后我们可以进行改进的测量。”本;Nergis Mavalvala

然后,大约在2002年,就在ligo的探测器第一次开始寻找引力波的时候,麻省理工学院的研究人员开始考虑将量子压缩作为一种降低噪声的方法,这种噪声可能会掩盖极其微弱的引力波信号。他们开发了一种真空挤压器的初步设计,并于2010年在LIGO的汉福德基地进行了测试。结果是令人鼓舞的:仪器设法提高了LIGO的信噪比一个有希望的信号相对于背景噪声的强度。

从那以后,由Tse和Barsotti领导的团队改进了其设计,并将挤压器集成到两个LIGO探测器中。挤压器的核心是光学参量振荡器,简称OPO -一种蝴蝶结形状的装置,在镜子的结构中容纳一个小晶体。当研究人员将激光束直接照射到晶体上时,晶体的原子会促进激光和量子真空之间的相互作用,从而重新排列它们的相位与振幅的属性,从而产生一种新的“压缩”。然后像往常一样,真空继续沿着探测器的每个臂部。这种压缩的真空具有比普通真空更小的相位波动,使科学家能够更好地探测引力波。

除了增强探测引力波的能力外,新的量子挤压器还可以帮助科学家更好地提取出产生引力波的源信息。

我们有这个令人毛骨悚然的量子真空,我们可以在不违反自然法则的情况下操纵它,然后我们可以进行改进的测量,Mavalvala说。“它告诉我们,有时我们可以绕着大自然走一圈。不总是,但有时会。”

引用:“引力波天文学时代量子增强高级LIGO探测器”谢立文等,2019年12月5日,《物理评论快报》。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.231107

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。LIGO是由加州理工学院和麻省理工学院建造的。

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