人类什么时候能超越量子极限？
1916年，在广义相对论发表不久后，爱因斯坦通过计算表明，巨大的、加速的物体会扰乱和扭曲时空，产生所谓的时空涟漪，也就是引力波。然而，直到2015年，激光干涉引力波观测台（LIGO）才首次直接探测到引力波——它是由两个黑洞并合在一起产生的。
LIGO之所以成功，核心就在于它能够在仅为人类头发丝的1万万亿分之一的尺度上，测量时空结构的拉伸和挤压。不过，LIGO的精度也一直受到量子物理定律的限制，这是因为在非常微小的亚原子尺度上，真空里充满了微弱的量子噪声，它们会干扰LIGO的测量、限制探测器的灵敏度。
现在，在一项新的研究中，LIGO的研究人员在《物理评论X》杂志上报告了一项名为“量子挤压”（quantum squeezing）的技术的重大进展。他们发展出了一种“频率相关挤压”技术，极大地提高了LIGO所能探测到的频率范围，使LIGO可以捕捉到比以前多60%的引力波事件。
不确定性原理
根据量子物理学定律，包括光子在内的粒子会在真空中随机“进出”，产生量子噪声，给LIGO基于激光的测量带来了一定程度的不确定性。量子挤压起源于20世纪70年代末，是一种消除量子噪声的方法。更具体地说，它是一种为了进行更精确的测量，将噪声从一个地方推向另一个地方的方法。
要理解光的“挤压”，我们可以用动物形状的气球来类比：以一个小狗气球为例，我们可以把气球的一部分捏住，挤压成一个每一处都精确定位的一整片图案；但气球的另一边就会膨胀为一个更大、更不精确的尺寸。
光也同样可以如此：在一个特性上被挤压得更精确（比如频率），但它的另一个特性会变得更加不精确（比如功率）。这种限制基于的是量子力学中的不确定性原理。根据这一原理，我们不可能同时准确知道物体的位置和动量，或光的频率和功率。
自2019年以来，为了提高LIGO对高频范围的引力波的探测灵敏度，LIGO的双探测器一直在以这样一种方式挤压光。但是，就像挤压气球的一边会导致另一边膨胀一样，挤压光是有代价的，通过使LIGO在高频上的测量更加精确，它在低频上的测量就会变得不那么精确。
挤压杂散光
我们知道，LIGO是一个L型的探测器，有两个互相垂直的长为4000米的长臂。其工作原理是将一束激光被分成两束，并沿着两臂传播。在两臂的末端设有反射镜，激光会击中反射镜，然后返回到分束器。由于光的波长是相等的，两束光在相遇时会发生干涉，并完全抵消，也就是相消干涉。
当引力波“扫过”地球时，情况就不一样了。引力波会使地球周围的时空扭曲，导致两臂的长度将受到影响，一个臂略微地长于另一个臂。这种有节奏地对两臂的拉伸和挤压会持续到引力波完全通过。这时，激光在返回分光束后并进行干涉时，便不再能完全相消，从而使得探测器可以记录到干涉图样，揭示引力波的存在。
然而，隐藏在LIGO的真空管内的量子噪声，可以对激光束中光子的到达时间产生微小的干扰。自2019年以来，LIGO便一直使用挤压技术来使光子更规律地抵达。在实际操作中，这种技术是在特殊晶体的帮助下完成的。这些晶体可以把一个光子变成一对纠缠的、能量较低的光子，它们不会直接挤压LIGO激光束中的光，而是挤压LIGO的真空管中的杂散光，杂散光会与激光相互作用，间接挤压激光。
一个简单但有效的方法
然而，正如前面提到的，这种挤压是有代价的。激光中的量子噪声并没有被完全消除，而是将频率上的噪声转移到了振幅上——它使激光的频率（或者说时间）更精确，而振幅（或者说功率）更加不精确。
如此一来，更强大的激光束会推动LIGO的反射镜，产生与较低频的引力波相对应的噪声，从而削弱了探测器捕捉低频引力波的能力。这意味着，尽管使用挤压技术可以在某些方面减少混乱，但其他方面仍然受到物理学定律的约束。
在新发表的研究中，LIGO团队用一种最简单的、低成本的方法，给出了解决方案。研究人员发展出了一个长300米的频率相关光腔，使得LIGO可以根据引力波的频率，以不同的方式对光进行挤压，从而减少LIGO在整个频率范围内的噪声。
图中显示的是LIGO装有300米滤腔的真空管，用于实现频率相关的量子挤压。这个光腔控制着光波的相对相位，研究人员可以根据引力波的频率范围选择性地将量子噪声移动到不同的性质（相位或振幅）中。（图/MJ Doherty）
位于欧洲的Virgo探测器可能也将会在目前的运行（大约将持续到2024年底）中使用这种频率相关的挤压技术。下一代的更大的引力波探测器，如正在计划中的地基宇宙探测者（Cosmic Explorer），也将从这样的挤压光中获益。
开启新的未来
现在，凭借这种频率相关挤压腔，LIGO超越了量子极限，可以探测到更多的黑洞和中子星并合事件，进行更多的天文学研究，帮助天文学家更好地了解中子星如何相互撕裂，并了解更多关于中子星内部的信息。
这些结果也对未来的量子技术，如量子计算机和其他微电子技术以及基础物理实验，产生了积极的影响 。科学家可以把从LIGO学到的东西，应用到其他需要在亚原子尺度上以极高的精度进行测量的问题上。
参考来源：https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20231023
本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨
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