引力波探测超越了量子极限

引力波是时空的波动，它们是由物体（如双黑洞或双中子星）的剧烈运动产生的。引力波可以携带关于宇宙中最神秘和最极端的现象的信息，因此探测和研究引力波对于理解我们所处的宇宙是非常重要的。

然而，引力波是非常微弱的信号，它们在传播过程中会被时空的膨胀和其他噪声所衰减。为了探测到引力波，我们需要非常精密和灵敏的仪器，例如激光干涉引力波观测站（LIGO）。LIGO是由两个相距约3000公里的探测器组成的，每个探测器都是一个长达4公里的L形干涉仪，它利用激光束来测量两条臂之间的长度变化。当一波引力波通过时，它会使两条臂的长度以不同的方式稍微改变，从而导致激光束在干涉仪中心处产生可检测的相位差。

LIGO已经成功地探测到了数十个引力波事件，揭示了黑洞和中子星之间的碰撞和合并。但是，LIGO的灵敏度仍然受到一些基本的限制，其中最重要的一个就是量子噪声。量子噪声是由量子力学规律所决定的，在微观尺度上，空间和时间都不是连续和确定的，而是有一定的不确定性和随机性。这意味着LIGO使用的激光束和镜子都会受到量子涨落的影响，从而产生额外的噪声，并干扰引力波信号。

量子噪声可以分为两种类型：光子数噪声和辐射压力噪声。光子数噪声是由于激光束中光子数量的随机变化所造成的，在高频段（大约几百赫兹以上）占据主导地位。辐射压力噪声是由于激光束对镜子施加随机压力所造成的，在低频段（大约几十赫兹以下）占据主导地位。这两种噪声共同构成了LIGO在不同频率下的量子噪声谱。

量子压缩与滤波腔

为了降低量子噪声并提高LIGO的灵敏度，我们需要利用一些量子技术来改变激光束和镜子之间的相互作用。其中一种技术就是量子压缩，它可以利用一个特殊的晶体来改变激光束中光子数和相位之间的不确定关系。通常情况下，这两个物理量之间有一个最小不确定度，称为海森堡不确定关系。但是，如果我们牺牲其中一个物理量（例如相位）的确定度，我们就可以减少另一个物理量（例如光子数）的不确定度，从而使激光束处于一个压缩态。这样，我们就可以降低光子数噪声，从而提高LIGO在高频段的灵敏度。

然而，量子压缩并不能同时降低光子数噪声和辐射压力噪声，因为它们是由激光束中不同物理量的不确定度所造成的。如果我们想要同时降低两种噪声，我们就需要使用一种更复杂的技术，称为频率依赖的量子压缩。这种技术可以利用一个长达300米的滤波腔，它是一个两端有反射镜的空心管道，可以让激光束在其中来回反射。滤波腔的作用是根据激光束的频率来改变它的压缩方向，从而使得在低频段时，辐射压力噪声被压缩，而在高频段时，光子数噪声被压缩。这样，我们就可以实现对LIGO在整个频率范围内的量子噪声的降低。

LIGO探测器的量子增强

在最近发表在《物理评论X》杂志上的论文中，LIGO研究团队报告了他们在全尺寸引力波探测器中实现了频率依赖的量子压缩，并取得了显著的效果。他们在2023年5月重新开启LIGO探测器时，在每个探测器中加入了一个滤波腔，并使用了量子压缩技术。他们发现，在汉福德探测器中，量子压缩使得探测器在1千赫兹附近的噪声幅度降低了2.5倍，而在利文斯顿探测器中，噪声降低了2.1倍。这些改进直接影响了LIGO对高频源（例如双中子星合并后的物理过程）的科学产出。同时，低频段的灵敏度也得到了提升，相比于没有量子压缩时，探测器的有效范围增加了15%，相当于天体事件检测率增加了高达65%。

这项研究是LIGO A+升级计划的一部分，它标志着LIGO探测器已经超越了量子极限，并进入了一个新的物理领域。这将为未来引力波天文学的发展带来巨大的潜力和挑战。