引力波是時空的波動，它們是由物體（如雙黑洞或雙中子星）的劇烈運動產(chǎn)生的。引力波可以攜帶關(guān)于宇宙中最神秘和最極端的現(xiàn)象的信息，因此探測和研究引力波對于理解我們所處的宇宙是非常重要的。

然而，引力波是非常微弱的信號，它們在傳播過程中會被時空的膨脹和其他噪聲所衰減。為了探測到引力波，我們需要非常精密和靈敏的儀器，例如激光干涉引力波觀測站（LIGO）。LIGO是由兩個相距約3000公里的探測器組成的，每個探測器都是一個長達4公里的L形干涉儀，它利用激光束來測量兩條臂之間的長度變化。當(dāng)一波引力波通過時，它會使兩條臂的長度以不同的方式稍微改變，從而導(dǎo)致激光束在干涉儀中心處產(chǎn)生可檢測的相位差。

LIGO已經(jīng)成功地探測到了數(shù)十個引力波事件，揭示了黑洞和中子星之間的碰撞和合并。但是，LIGO的靈敏度仍然受到一些基本的限制，其中最重要的一個就是量子噪聲。量子噪聲是由量子力學(xué)規(guī)律所決定的，在微觀尺度上，空間和時間都不是連續(xù)和確定的，而是有一定的不確定性和隨機性。這意味著LIGO使用的激光束和鏡子都會受到量子漲落的影響，從而產(chǎn)生額外的噪聲，并干擾引力波信號。

量子噪聲可以分為兩種類型：光子數(shù)噪聲和輻射壓力噪聲。光子數(shù)噪聲是由于激光束中光子數(shù)量的隨機變化所造成的，在高頻段（大約幾百赫茲以上）占據(jù)主導(dǎo)地位。輻射壓力噪聲是由于激光束對鏡子施加隨機壓力所造成的，在低頻段（大約幾十赫茲以下）占據(jù)主導(dǎo)地位。這兩種噪聲共同構(gòu)成了LIGO在不同頻率下的量子噪聲譜。

量子壓縮與濾波腔

為了降低量子噪聲并提高LIGO的靈敏度，我們需要利用一些量子技術(shù)來改變激光束和鏡子之間的相互作用。其中一種技術(shù)就是量子壓縮，它可以利用一個特殊的晶體來改變激光束中光子數(shù)和相位之間的不確定關(guān)系。通常情況下，這兩個物理量之間有一個最小不確定度，稱為海森堡不確定關(guān)系。但是，如果我們犧牲其中一個物理量（例如相位）的確定度，我們就可以減少另一個物理量（例如光子數(shù)）的不確定度，從而使激光束處于一個壓縮態(tài)。這樣，我們就可以降低光子數(shù)噪聲，從而提高LIGO在高頻段的靈敏度。

然而，量子壓縮并不能同時降低光子數(shù)噪聲和輻射壓力噪聲，因為它們是由激光束中不同物理量的不確定度所造成的。如果我們想要同時降低兩種噪聲，我們就需要使用一種更復(fù)雜的技術(shù)，稱為頻率依賴的量子壓縮。這種技術(shù)可以利用一個長達300米的濾波腔，它是一個兩端有反射鏡的空心管道，可以讓激光束在其中來回反射。濾波腔的作用是根據(jù)激光束的頻率來改變它的壓縮方向，從而使得在低頻段時，輻射壓力噪聲被壓縮，而在高頻段時，光子數(shù)噪聲被壓縮。這樣，我們就可以實現(xiàn)對LIGO在整個頻率范圍內(nèi)的量子噪聲的降低。

LIGO探測器的量子增強

在最近發(fā)表在《物理評論X》雜志上的論文中，LIGO研究團隊報告了他們在全尺寸引力波探測器中實現(xiàn)了頻率依賴的量子壓縮，并取得了顯著的效果。他們在2023年5月重新開啟LIGO探測器時，在每個探測器中加入了一個濾波腔，并使用了量子壓縮技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，在漢福德探測器中，量子壓縮使得探測器在1千赫茲附近的噪聲幅度降低了2.5倍，而在利文斯頓探測器中，噪聲降低了2.1倍。這些改進直接影響了LIGO對高頻源（例如雙中子星合并后的物理過程）的科學(xué)產(chǎn)出。同時，低頻段的靈敏度也得到了提升，相比于沒有量子壓縮時，探測器的有效范圍增加了15%，相當(dāng)于天體事件檢測率增加了高達65%。

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這項研究是LIGO A 升級計劃的一部分，它標(biāo)志著LIGO探測器已經(jīng)超越了量子極限，并進入了一個新的物理領(lǐng)域。這將為未來引力波天文學(xué)的發(fā)展帶來巨大的潛力和挑戰(zhàn)。