我们用LIGO探测引力波，在这种情况下，LIGO那4公里长臂的长度变化小于单个质子宽度的一万分之一。我们的测量已经变得如此精确，以至于我们开始遇到绝对量子极限，也就是海森堡不确定性原理定义的极限。但无论是物理学家还是工程师，都不会让基本自然法则阻碍他们。通过这篇文章，我们将看到如何破解不确定性原理，从而使测量变得比以往更加精确。
不确定性原理地提出
海森堡不确定性原理告诉我们，自然界存在着一种基本的不可知性——一种对我们测量宇宙的精确度的绝对限制。该原理提出，存在着一对属性，我们不可能同时精确地知道：对粒子位置的完全了解意味着它的动量是不确定的；而对它能量的精确测量意味着它在时间上的位置在量子力学中是模糊的。在量子力学中，我们将这些属性对称为互补变量。不确定性原理告诉我们，当我们将这些属性对相乘时，它一定总是大于某个特定的但特别小的数字。
1920年代，海森堡在发明他的矩阵力学时就发现了测不准原理。但是，当海森堡第一次提出这种关系时，他并没有意识到这个原理是如此基本的，当时他考虑的是用光子测量粒子的位置会发生什么。他推断光子会给粒子一个动量冲击，这就解释了测量后其动量的更大不确定性。为了更精确地测量位置，将需要一个更高能量的光子，但是它会把被测量粒子踢得更远，导致动量的不确定性变得更大。基本上，他认为测不准原理的产生是由于测量干扰了系统。
海森堡把他的新想法告诉了他的导师尼尔斯·玻尔。玻尔对这一发现感到兴奋，但强烈反对海森堡的解释，他认为不确定性原理暗示了一个更为基本的宇宙法则。
海森堡的不确定性原理使我们无法同时了解有关量子态的所有信息，但有时我们也可以超越海森堡的极限，因为有时我们更关心的只有其中一个属性。不确定性原理对互补性质的不确定性乘积设置了一个下限，如果我们只关心粒子的位置，原则上我们可以非常精确地测量它，只要我们不知道它的动量而已。但是，这并不是一件简单的事情，因为正常的量子态倾向于在互补的属性之间均匀地分担不确定性。在过去的几十年里，我们开发了理论和技巧，使我们能够操纵量子态来突破不确定性原理的极限，我们将以LIGO为例。
LIGO提高探测引力波的精度
快速回顾一下LIGO的工作原理。位于美国华盛顿州和路易斯安那州的双干涉仪是由一对4公里长的直角臂组成。激光被分裂并沿着这些路径发送，然后再以这种方式重新组合，使这些激光束的电磁波相消干涉。也就是说，一个波的波峰与另一个波的波谷对齐，导致能量完全抵消。但是，如果引力波通过干涉仪，两条路径的相对长度会以一种特殊的方式发生变化，重组的激光不再完全抵消，因此我们可以观察到闪烁信号。
这种测量方法对路径长度非常敏感，但这意味着它对光波的相位也很敏感，两个光束的相对相位的任何变化都会在信号中产生闪烁。事实上，因为相位存在着固有的不确定性，所以两个光束的相位从未完美匹配。这会导致低水平的噪音，在应该黑暗的地方出现闪烁的信号，而这种噪音会掩盖微弱的引力波信号。如果激光束相位的量子涨落大于引力波引起的臂长变化，那么我们将永远看不到引力波，除非我们能破解不确定性原理。
在这种情况下，所讨论的互补变量不是位置和动量，而是变成相位和振幅。为了提高我们探测微弱引力波的能力，我们需要减少激光束相位的不确定性，这将使我们能够更完美地排列这些波以减少量子涨落。我们不太关心振幅的不确定性。
在LIGO中，光的相位被压缩，以增加振幅的不确定性为代价提高了精度。这种相位压缩是通过量子纠缠来实现的，激光通过非线性晶体的特殊材料发射，这种材料将入射光子转换成成对的光子。这些发出的光子具有纠缠相位，它们的波峰和波谷的位置是相关的。这些光子对被送到干涉仪的不同臂上，当它们重新组合时，它们的相位仍然有量子涨落，但两束光之间的涨落现在是相关的，所以它们可以更完美地抵消。由于随机相移导致的闪烁减少，这意味着我们可以看到由更微弱引力波引起的真实信号。
当然，为了提高相位精度，总是要付出代价的，那就是激光束中传输的振幅的不确定性。但这也引入了另一种噪声——辐射压力噪声，不过这种噪声比相位不确定性的问题要小得多。凡事都有代价，但如果你把不确定性投资在正确的地方，这个代价是值得的。
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