室温下观察和聆听量子效应肉眼可见？

自2015年两个黑洞在10亿光年外碰撞产生引力波的历史性发现以来，物理学家们一直在推进有关测量精度极限的知识，这将有助于改进引力波科学家使用的下一代工具和技术。路易斯安那州立大学物理与天文学系副教授Thomas Corbitt和研究团队现在提出了第一个宽带非共振测量音频波段的量子辐射压力噪声，频率与引力波探测器有关，并于2019年3月25日发表在《自然》期刊上。这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation，简称NSF)的支持。

博科园-科学科普：研究结果为提高引力波探测器的灵敏度提供了线索，方法是开发技术，减轻测量中所谓的“反作用力”不精确性，从而增加探测引力波的机会。Corbitt和研究人员已经开发出一种物理设备，可以在室温下观察和聆听量子效应。在非常低的温度下测量量子效应往往更容易，而这种方法使它们更接近人类的经验。位于路易斯安那州利文斯顿的LIGO或激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravity - wave Observatory)等探测器的微型模型中。

这些设备由低损耗的单晶微谐振器组成，每个谐振器都有一个针尖大小的镜垫，悬挂在悬臂上。激光束对准其中一个反射镜，当光束被反射时，波动的辐射压力足以弯曲悬臂结构，导致反射镜垫振动，产生噪音。

引力波干涉仪使用尽可能多的激光功率，以最小化测量离散光子所带来的不确定性，并最大限度地提高信噪比。这些更高功率的光束增加了位置精度，但也增加了反作用力，这是反射镜中光子数量的不确定性，而反射镜中光子数量对应于由于辐射压力对镜子产生的波动力，从而导致机械运动。

其他类型的噪声，如热噪声，通常控制着量子辐射压力噪声，但是Corbitt的团队，包括麻省理工学院的合作者，已经对它们进行了分类。先进的LIGO和其他第二代、第三代干涉仪在全激光功率下运行时，将受到低频量子辐射压力噪声的限制。Corbitt在《自然》上发表的论文为研究人员在测量引力波时如何解决这个问题提供了线索。Corbitt说：由于迫切需要更灵敏的引力波探测器，重要的是研究量子辐射压力噪声对类似于高级LIGO的系统影响，这将受到量子辐射压力噪声在远离测试质量悬架机械共振频率大范围频率上的限制。

Corbitt的前学术顾问、《自然》期刊论文的主要作者Jonathan Cripe去年从LSU毕业，获得物理学博士学位，现在是国家标准与技术研究所的博士后研究员说：在LSU的每一天，我都在做设计这个实验的背景工作和微型反射镜，并把所有光学元件放在桌面上，我并没有真正考虑未来结果的影响。我只是专注于每一个单独的步骤，一天做一天的事情。[但是]现在我们已经完成了实验，回过头来想想量子力学（一种似乎超凡脱俗、脱离人类日常经验的东西）是人类肉眼可见镜子运动的主要驱动因素，这真是令人惊讶。

量子真空，或者说‘虚无’，可以对你能看到的东西产生影响。物理学家兼国家科学基金会项目主任佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)指出，测试改进引力波探测器的新想法可能很棘手，尤其是在降低只能用全尺寸干涉仪测量的噪声时：这项突破为测试降噪提供了新机会，这种方法的相对简单性使得它可以被广泛的研究小组使用，这可能会增加引力波天体物理学中更广泛的科学界参与。

路易斯安那州立大学物理与天文学系副教授托马斯·科尔比特(Thomas Corbitt)和研究团队目前首次在音频波段以与引力波探测器相关的频率，对量子辐射压力噪声进行宽带非共振测量。图片：Elsa Hahne, LSU

博科园｜研究/来自: 路易斯安那州立大学

参考期刊《Nature》

DOI: 10.1038/s41586-019-1051-4

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