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量子涨落可以在人体尺度上摇动物体

  • 科学
  • 2020-07-02 08:37:30
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从量子力学的角度看,宇宙是一个嘈杂的,破裂的空间,在该空间中,粒子不断闪烁,不停地存在,并形成了量子噪声的背景,通常在日常物体中检测不到这种效应的微妙效果。

麻省理工学院LIGO实验室的研究人员领导的团队现在第一次测量了量子涨落对人类尺度物体的影响。在《自然》杂志上发表的一篇论文中,研究人员报告说,尽管量子波动很小,但仍可以“踢”一个像美国国家科学基金会激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的40公斤镜子一样大的物体。 ,导致他们移动了很小的幅度,而团队可以测量。

事实证明,LIGO探测器中的量子噪声足以将大反射镜移动10-20米-这种位移是由量子力学预测的,对于这种大小的物体,但从未测量过。

麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的研究科学家李·麦卡勒说:“氢原子是10-10米,因此镜子的位移相当于氢原子对我们来说是氢原子-我们对此进行了测量。”研究。

研究人员使用了他们设计的一种特殊工具,称为量子挤压器,以“操纵探测器的量子噪声并减少其对反射镜的撞击,从而最终可以提高LIGO在探测引力波时的灵敏度”,Haocun Yu解释说。麻省理工学院物理学研究生。

麻省理工学院物理系副教授,大理石教授纳尔吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说:“这个实验的特别之处在于我们已经看到了像人类一样大的量子效应。”“我们的存在,每一纳秒都被这些量子涨落所震撼。这仅仅是因为我们存在的抖动,即我们的热能,对于这些量子真空涨落来说太大了,无法测量到我们的运动。镜子,我们已经完成了所有这些工作,以将它们与热驱动运动和其他作用力隔离开,以便它们现在仍然足以被量子涨落和宇宙的这种怪异爆米花所吸引。”

Yu,Mavalvala和McCuller与MIT的研究生Tse Tse和首席研究科学家Lisa Barsotti以及LIGO科学合作社的其他成员是该论文的合著者。

量子踢

LIGO旨在检测从数百万到数十亿光年的灾变源到达地球的重力波。它包括两个双探测器,一个在华盛顿州汉福德,另一个在路易斯安那州利文斯顿。每个检测器都是一个L形干涉仪,由两个4公里长的隧道组成,在其末端悬挂有40公斤的反射镜。

为了检测引力波,位于LIGO干涉仪输入端的激光沿着检测器的每个通道发送光束,在该通道的远端从反射镜反射回来,返回到其起点。在没有引力波的情况下,激光应在相同的精确时间返回。如果引力波通过,它将短暂地干扰反射镜的位置,从而干扰激光的到达时间。

已经做了很多工作来使干涉仪免受外界噪声的影响,从而使探测器有更好的机会来识别由入射重力波产生的极其细微的干扰。

Mavalvala和她的同事想知道LIGO是否也足够灵敏,以至于该仪器甚至可能会感觉到微妙的影响,例如干涉仪本身的量子涨落,尤其是LIGO激光器的光子之间产生的量子噪声。

McCuller补充说:“激光中的这种量子波动会导致实际上可以踢到物体的辐射压力。”“在我们的案例中,这个物体是一个40公斤的镜子,比其他小组测量这种量子效应的纳米物体重十亿倍。”

噪音抑制器

为了了解他们是否可以测量LIGO大型镜子对微小的量子波动的响应,该团队使用了他们最近制造的一种作为干涉仪的附件的仪器,他们将其称为量子挤压器。借助挤压器,科学家可以在LIGO干涉仪中调节量子噪声的特性。

该团队首先测量了LIGO干涉仪内的总噪声,包括背景量子噪声,“经典”噪声或日常正常振动产生的干扰。然后,他们打开压模器并将其设置为特定状态,从而特定地改变了量子噪声的属性。然后,他们能够在数据分析过程中减去经典噪声,以隔离干涉仪中的纯量子噪声。当检测器不断监视反射镜对任何传入噪声的位移时,研究人员能够观察到仅量子噪声就足以使反射镜位移10-20米。

Mavalvala指出,测量与量子力学预测的结果完全一致。她说:“但是看到如此巨大的结果仍然被证实是令人惊讶的。”

更进一步,该团队想知道他们是否可以操纵量子压缩器以减少干涉仪中的量子噪声。压缩器的设计使其在设置为特定状态时会“压缩”量子噪声的某些属性,在这种情况下为相位和幅度。可以认为相位波动是由光的传播时间中的量子不确定性引起的,而振幅波动会给镜面带来量子反冲。

于说:“我们认为量子噪声是沿不同轴分布的,我们试图在某些特定方面降低噪声。”

当压缩器设置为特定状态时,它可以例如压缩或缩小相位不确定性,同时扩大或增加幅度的不确定性。以不同角度挤压量子噪声将在LIGO探测器中产生不同比例的相位噪声和幅度噪声。

该小组想知道改变这种挤压的角度是否会以LIGO的激光和反射镜能够测量的方式在它们之间建立量子相关性。通过测试他们的想法,该团队将压模器设置为12个不同的角度,发现他们确实可以测量激光器中量子噪声的各种分布与镜子运动之间的相关性。

通过这些量子相关性,研究团队能够压缩量子噪声,从而将镜面位移降低到正常水平的70%。顺便说一句,该测量值低于所谓的标准量子极限,在量子力学中,该极限表示给定数量的光子,或者在LIGO的情况下,一定水平的激光功率,预计会产生一定的最小量子量。会对其路径中的任何对象产生特定“踢”的波动。

通过使用挤压光来减少LIGO测量中的量子噪声,该团队已使测量比标准量子极限更精确,从而以最终帮助LIGO检测微弱,更远的引力波的方式降低了噪声。

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