第一次 在人体大小的物体上测得量子涨落
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第一次 在人体大小的物体上测得量子涨落

2020年07月13日 00:00:00

第一次 在人体大小的物体上测得量子涨落

量子涨落是一种即使在真空中也会发生的粒子和场的扰动。这种涨落是量子力学中海森堡不确定性原理的自然结果,它的存在会对周围物质产生微妙的影响,从而导致一系列可被观测到的效应。

真空涨落。| 图片来源:Derek Leinweber

真空涨落。| 图片来源:Derek Leinweber

根据不确定性原理,我们无法同时绝对精确地测量一对物理量(比如粒子的位置和速度),这限制了我们以更高精度测量微小的力和位移。在一项新研究中,来自麻省理工学院的科研团队首次测量了量子涨落对人类尺度物体的影响,得到了突破量子极限的微小位移测量。

在这项新的研究中,被测量的对象是我们熟悉的激光干涉引力波天文台(LIGO)的反射镜。2015年9月,LIGO团队经过几十年的努力,终于首次探测到了由双黑洞合并产生的引力波。LIGO在世界各地都建立了探测器,但在那次突破性发现中起到主要作用的有两个,一个位于美国华盛顿的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。

LIGO,呈L形的大型干涉仪。| 图片来源:Nobelprize.org

LIGO,呈L形的大型干涉仪。| 图片来源:Nobelprize.org

探测器是两个呈L形的干涉仪,由两个互相垂直的长达4千米的长臂组成,在长臂末端有一个质量为40公斤的反射镜。其工作原理是位于LIGO干涉仪输入端的激光器会向探测器发送一束激光,分光镜会将这束激光分成两束,分别沿着两条垂直的长臂传播,然后再从远端的镜面反射回起点。

在没有引力波的情况下,两束激光会在同一时间返回起点,它们的波长相等,因此两束光在相遇时发生干涉并完全抵消。但如果有引力波通过,那么它会短暂地干扰到镜面的位置,使得一个长臂略长于另一个长臂,从而影响激光返回的时间;在这种情况下,当返回的两束激光再进行干涉时,便不能再完全相互抵消,从而使探测器得以记录到由微弱的位移导致的干涉图样。

为了保护LIGO不受外部噪声的干扰,从而更好地识别出由引力波产生的这种极其微妙的变化,LIGO的研究人员已经做了很多努力来尽可能地排除这些扰动。激光中的量子涨落就是一种可以产生辐射压力的量子噪声,这种压力能对物体产生冲击。在新的研究中,研究人员想要知道,LIGO是否灵敏到能感受到这种更微小的效应,即在LIGO激光器的光子中所产生的量子噪声。

其实,这并不是科学家第一次在大尺度宏观物体上观测量子效应。宏观物体存在的每一刻也都在被量子涨落“踢”来“踢”去,只是对这些物体来说,量子涨落太过于微小,无法产生能影响其运动的效应,因此难以被察觉。

一名光学技术人员正在检查LIGO的一面镜子。| 图片来源:Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab

一名光学技术人员正在检查LIGO的一面镜子。| 图片来源:Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab

这一次的研究对象是质量重大40公斤的反射镜,相比于过去许多测量量子效应的研究,这一质量是那些纳米尺度的物体的10亿倍。这使得测量这种效应成了一项极具挑战的尝试。

为了测量是否能在LIGO的巨大反射镜上测量到微小的量子涨落,研究人员为干涉仪建造了一个特殊的附加设备,他们称之为量子挤压器。这是研究人员专门设计的一个装置,它能调节LIGO干涉仪内的量子噪声的性质,从而控制探测器的量子噪声。

他们首先测量了LIGO干涉仪中的总噪声,这包括背景量子噪声,以及由日常振动等造成的经典噪声。然后他们打开量子挤压器,将其设置到一个能改变量子噪声性质的特定状态。接着在数据分析的过程中,将经典噪声减除,从而分离出干涉仪中的纯量子噪声。在此过程中,探测器会持续监测由任何噪声导致的镜面位移。

最终,研究人员就观测到,当仅有量子噪声时,反射镜面会移动10⁻²⁰米。这一测量结果与量子力学的预测完全一致。10⁻²⁰米是极小的距离,氢原子的长度是10⁻¹⁰米。类比说来,镜面位移相对于氢原子大小,就如同氢原子大小相对于人类。在此之前,还从未有科研团队作出过这样的测量。

在得到了这个结果之后,研究小组想进一步知道,能否可以通过操纵量子挤压器来降低干涉仪内部的量子噪声。

挤压器的运作原理是当它被设置到某个特定状态时,它可以“挤压”量子噪声的某些特性,比如相位和振幅。相位涨落可以被视为是由光的传播时间的量子不确定性引起的,而振幅涨落是由这种量子涨落对镜面产生冲击而造成的。因此,他们认为通过进行调节,或许可以减少噪声。比如当挤压器处于一个可以挤压相位的不确定性,同时增大振幅的不确定性的特定状态时。

从不同角度对量子噪声进行挤压会在LIGO探测器内产生有着不同的相位和振幅比的噪声。研究人员想知道,如果改变挤压的角度,是否会在LIGO的激光器和反射镜之间导致可被测量的量子相关性。他们为挤压器设置了12个不同的角度,结果表明,这种相关性的确存在。

通过这些量子相关性,研究人员将量子噪声以及由此产生的镜面位移挤压到了正常水平的70%。而这个值是低于量子极限的。所谓量子极限,指的是在量子力学中,给定数量的光子在理论上预计会产生一个最低限度的量子涨落,从而对路径上的任意物体产生特定的冲击。

通过在LIGO测量中使用挤压光来减少量子噪声,研究人员已经获得了比标准量子极限更精确的测量。这对引力波天文学来说无疑是则好消息,它提高了LIGO在探测引力波时的灵敏度,使LIGO有望探测到更微弱、更遥远的引力波。