研究者安装“量子真空压缩机”。图片来源:麻省理工学院网站
今日视点
本报记者胡定坤
2015年9月，位于美国的LIGO首次探测到引力波，验证了爱因斯坦的“百年猜想”，开启了人类天文学的“引力波时代”。
几天前，麻省理工学院、加州理工学院和澳大利亚国立大学的一个联合团队在《物理评论快报》写道，他们为LIGO安装了一种叫做“量子真空压缩机”的神秘武器，这大大提高了它的探测能力。根据麻省理工学院的官方报告，自今年4月以来，在该设备的“奖励”下，LIGO已经多次捕捉到引力波信号。
量子噪声干扰LIGO测量
LIGO使用“L”探测器来感应引力波。每个探测器由两个“长臂”——真空管组成，长度为2.5英里(约4公里)，相互垂直。光源发射一束激光，通过分光镜并分成两半，每一半进入长臂，并在被长臂末端的反射器反射后返回到原始路径。
根据激光干涉原理，同时返回的两束激光束将相互抵消，探测器无法接收信号。然而，当引力波撞击地球时，它会扭曲空间和时间——，并短暂地使LIGO“一臂长一臂短”。这种有节奏的拉伸和挤压变形将持续到引力波通过。此时，两个激光器不能同时返回，也不会相互抵消。探测器将接收返回的闪光信号。
然而，“理想是丰满的，现实是瘦骨嶙峋的”。正如麻省理工学院研究生和主要作者谢曼玉(Maggie Xie)所说，激光不是一种连续的光流，而是单个光子的嘈杂行进，每个光子都受到真空波动的影响。光子平均“准时”到达探测器，但有些到达得很早，有些到达得很晚，形成一个具有一定宽度的“钟形曲线”。
当引力波经过时，LIGO手臂的长度变化不到质子宽度的1/10000。检测系统需要足够灵敏以精确测量激光信号，这导致一些不能按时到达的光子闪烁并产生虚假引力波信号，这被称为“量子噪声”。
为了避免“虚警”，LIGO设定引力波只有在臂长变化超出量子噪声范围时才会被判断出来，这无疑限制了它对距离更远、强度更弱的引力波的探测。
量子压缩降低量子噪声
量子压缩是20世纪80年代提出的一个概念。其基本思想是量子真空噪声可以表示为沿着相位和振幅两个主轴的不确定球体。这个球体就像一个可以被压缩的应力球体。如果球体沿着相位轴收缩，相位状态的不确定性，即光子到达时间的不确定性将减小，但是振幅状态的不确定性，即光子到达量的不确定性将增加。
由于时间不确定性是影响LIGO量子噪声的主要因素，沿相位方向的压缩可以使探测器对引力波更加敏感。麻省理工学院的研究团队从15年前开始设计一种“量子真空压缩器”，以揭示更弱、更遥远的引力波信号。2010年，早期的压缩机在汉福德的探测器上进行了测试，并取得了一定的成果。
之后，研究人员逐渐改进了“量子真空压缩机”。其核心是光学参量振荡器(optical parametric oscillator)，这是一种领结器件，中间有一个小晶体，被镜子包围。当激光穿过晶体原子时，其光子的振幅和相位将被重新排列，以“压缩”真空并减少光子到达时间的波动。
安装“量子真空压缩器”后，LIGO的探测距离延长了15%，达到4亿光年以上，引力波的发现速度预计将提高50%，达到每周都可能发现新引力波的阶段。LIGO的“同事”和意大利的处女座引力波探测器也安装了类似的设备，探测距离增加了5%-8%，引力波探测速度增加了16%-26%。此外，压缩机有助于精确定位引力波源，便于天文学家进行后续观测。
丽莎·巴索蒂，麻省理工学院卡弗里天体物理和空间研究所的首席科学家
