激光干涉仪引力波天文台(LIGO)通过先进的“挤压”技术克服了量子噪声，提高了对宇宙事件的探测能力。这一突破将使其检出率提高60%，并为量子技术和物理学的进步铺平道路。
2015年，激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravitational - wave Observatory，简称LIGO)首次直接探测到引力波，即由一对黑洞碰撞产生的时空涟漪，创造了历史。从那时起，美国国家科学基金会(NSF)资助的LIGO和它在欧洲的姐妹探测器Virgo已经探测到了几十个黑洞之间合并的引力波，以及一种叫做中子星的相关恒星残骸之间的碰撞。LIGO成功的核心在于它能够在比人类头发丝小1万万亿倍的尺度上测量时空结构的拉伸和挤压。
麻省理工学院、加州理工学院和其他地方的LIGO研究人员报告说，他们在量子压缩方面取得了重大进展，这使他们能够测量LIGO探测到的整个引力频率范围内的时空波动。下面是在LIGO真空室中产生压缩光的技术。这张照片是在挤压机运行并被绿光泵送的时候从一个腔室的视口拍摄的。图片来源:Georgia Mansell/LIGO Hanford天文台
由于这些测量结果小得令人难以理解，LIGO的精度一直受到量子物理定律的限制。在非常微小的亚原子尺度上，真空空间充满了微弱的量子噪声的噼啪声，这会干扰LIGO的测量并限制天文台的灵敏度。现在，在《物理评论X》杂志上，LIGO的研究人员报告了一项名为“挤压”的量子技术的重大进展，该技术使他们能够绕过这个限制，测量LIGO探测到的整个引力频率范围内的时空波动。
这种新的“频率依赖压缩”技术自今年5月重新启动以来一直在LIGO运行，这意味着探测器现在可以探测到更大的宇宙体积，并且有望探测到比以前多60%的合并。这极大地提高了LIGO研究震动时空的奇异事件的能力。
Lisa Barsotti说:“我们不能控制自然，但我们可以控制我们的探测器。”Lisa Barsotti是麻省理工学院的高级研究科学家，负责监督LIGO新技术的开发。这个项目最初涉及麻省理工学院的研究实验，由物理学教授Matt Evans和天体物理学教授、科学学院院长Nergis Mavalvala领导。这项工作现在包括麻省理工学院、加州理工学院以及位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个LIGO天文台的数十名科学家和工程师。
“这种规模的项目需要很多人，从设施到工程和光学——基本上是LIGO实验室的全部，LIGO科学合作组织做出了重要贡献。这是一项巨大的努力，由于大流行而更具挑战性，”巴索蒂说。
“现在我们已经超越了这个量子极限，我们可以做更多的天文学研究，”加州理工学院物理学助理教授李·麦卡勒解释说，他是这项新研究的负责人之一。“LIGO使用激光和大型镜子进行观测，但我们的灵敏度水平意味着设备会受到量子领域的影响。”
这是LIGO真空室中压缩光源的照片，当时该真空室为维护而打开。资料来源:贾文轩/麻省理工学院
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影响。麦卡勒说:“我们可以把从LIGO学到的东西应用到需要以令人难以置信的精度测量亚原子尺度距离的问题上。”
“当NSF在20世纪90年代末首次投资建造双LIGO探测器时，我们对观测引力波的潜力充满热情，”NSF主任Sethuraman Panchanathan说。“这些探测器不仅有可能取得突破性的发现，而且还释放了新技术的设计和开发。这是NSF DNA的真正范例-好奇心驱动的探索与使用启发的创新相结合。通过数十年的持续投资和扩大国际合作伙伴关系，LIGO将进一步推动丰富的发现和技术进步。”
量子物理定律规定，包括光子在内的粒子会随机进出真空，产生量子噪声的背景嘶嘶声，这给LIGO基于激光的测量带来了一定程度的不确定性。量子压缩起源于20世纪70年代末，是一种消除量子噪声的方法，或者更具体地说，是一种将噪声从一个地方推到另一个地方的方法，目的是进行更精确的测量。
麻省理工学院的研究生Dhruva Ganapathy是这项新研究的四位共同主要作者之一，他说:“我们确实在做这件非常酷的量子事情，但真正的原因是这是提高LIGO灵敏度的最简单方法。”该研究的其他三位主要作者是麻省理工学院的研究生贾文轩、LIGO Livingston博士后中野雅之和麻省理工学院的博士后维多利亚·徐。资料来源:贾文轩/麻省理工学院
“挤压”一词指的是光可以像气球动物一样被操纵。要做一只狗或长颈鹿，人们可以把一个长气球的一部分捏成一个精确定位的小关节。但随后，气球的另一边会膨胀到一个更大、更不精确的尺寸。光同样可以在一个特性上被压缩得更精确，比如它的频率，但结果是它在另一个特性上变得更不确定，比如它的功率。这种限制是基于量子力学的一个被称为不确定性原理的基本定律，它指出你不能同时知道物体的位置和动量(或光的频率和功率)。
自2019年以来，LIGO的双探测器一直在以这样一种方式压缩光，以提高它们对探测到的引力波高频率范围的灵敏度。但是，就像压缩气球的一边会导致另一边膨胀一样，压缩光是有代价的。通过使LIGO在高频率上的测量更加精确，在低频率上的测量变得不那么精确。
“在某种程度上，如果你做更多的挤压，你不会得到太多。我们需要为下一步探测引力波的能力做好准备，”巴索蒂解释说。
每个LIGO设施都由两个4公里长的臂组成，连接成一个“L”形。这张照片显示的是装有LIGO 300米滤腔的真空管，用于实现频率相关的量子压缩。每个LIGO设施，一个在华盛顿州的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿，都有自己的300米的过滤腔。来源:MJ Doherty
现在，LIGO新的频率依赖光学腔——大约三个足球场长度的长管——允许团队根据感兴趣的引力波的频率以不同的方式压缩光，从而减少整个LIGO频率范围内的噪声。
“以前，我们必须选择我们希望LIGO更精确的位置，”LIGO团队成员、加州理工学院物理学教授Rana Adhikari说。“现在我们可以既吃蛋糕又拥有它了。我们已经知道如何写出方程来解决这个问题，但是直到现在我们还不清楚我们是否真的可以解决这个问题。这就像科幻小说。”
每个LIGO设施都由两个4公里长的臂组成，连接成一个“L”形。激光束沿着每条臂向下传播，击中巨大的悬挂镜子，然后回到它们开始的地方。当引力波扫过地球时，它们会导致LIGO的手臂伸展和挤压，从而使激光束不同步(见上面的视频)。这使得两束光以一种特定的方式相互干扰，从而揭示了引力波的存在。
然而，隐藏在包围LIGO激光束的真空管内的量子噪声可以微小地改变光束中光子的时间。麦卡勒把激光的这种不确定性比作一罐BBs。“想象一下，倒出一罐bb。它们都落在地上，各自发出咔哒咔哒的声音。这些bb弹随机地落在地上，产生了噪音。光子就像bb，在不规则的时间击中LIGO的镜子，”他在加州理工学院的一次采访中说。
麦卡勒说，自2019年以来一直使用的压缩技术使“光子更有规律地到达，就好像光子是牵着手而不是独立旅行一样”。这个想法是使光的频率或时间更确定，而幅度或功率更不确定，以此来抑制光子的bb效应。这是在特殊晶体的帮助下完成的，这些晶体本质上把一个光子变成一对两个纠缠的，或连接的，能量较低的光子。这些晶体不会直接挤压LIGO激光束中的光;相反，它们在LIGO管的真空中挤压杂散光，这些光与激光束相互作用，间接挤压激光。
“光的量子特性产生了这个问题，但量子物理学也给了我们解决方案，”Barsotti说。
压缩自身的概念可以追溯到20世纪70年代末，始于已故俄罗斯物理学家弗拉基米尔·布拉金斯基(Vladimir Braginsky)的理论研究;加州理工学院Richard P. Feynman理论物理学荣誉教授Kip Thorne;以及新墨西哥大学名誉教授卡尔顿·凯夫斯。研究人员一直在思考基于量子的测量和通信的极限，这项工作启发了加州理工学院威廉·l·瓦伦丁物理学名誉教授h·杰夫·金布尔(H. Jeff Kimble)在1986年进行的首批压缩实验演示之一。金布尔把压缩后的光比作黄瓜;光测量的确定性只被推到一个方向或特征上，将“量子卷心菜变成量子黄瓜”，他在1993年加州理工学院的《工程与科学》杂志上的一篇文章中写道。
2002年，研究人员开始思考如何在LIGO探测器中压缩光，并于2008年在加州理工学院40米的测试设施中实现了该技术的首次实验演示。2010年，麻省理工学院的研究人员开发了LIGO挤压器的初步设计，并在LIGO的汉福德站点进行了测试。在德国GEO600探测器上进行的类似研究也使研究人员确信挤压是可行的。9年后的2019年，经过多次试验和精心的团队合作，LIGO首次开始压缩光。
希拉·德怀尔(Sheila Dwyer)说:“我们经历了很多故障排除。”德怀尔自2008年以来一直从事该项目，先是作为麻省理工学院的研究生，然后从2013年开始作为LIGO汉福德天文台的科学家。“挤压最早是在20世纪70年代末提出的，但人们花了几十年的时间才把它弄明白。”
然而，正如前面提到的，压缩是有代价的。通过将量子噪声移出激光的时间或频率，研究人员将噪声放入激光的振幅或功率中。然后，更强大的激光束推动LIGO的重镜，产生与较低频率的引力波相对应的不必要的噪音。这些隆隆声掩盖了探测器探测低频引力波的能力。
麻省理工学院的研究生Dhruva Ganapathy是这项新研究的四名主要作者之一，他说:“尽管我们正在用挤压的方法使我们的系统井然有序，减少混乱，但这并不意味着我们在所有地方都取得了胜利。”“我们仍然受到物理定律的约束。”该研究的其他三位主要作者是麻省理工学院的研究生贾文轩、LIGO Livingston博士后中野雅之和麻省理工学院的博士后维多利亚·徐。
不幸的是，当LIGO团队打开激光电源时，这种麻烦的隆隆声变得更加麻烦。麦卡勒说:“压缩和提高功率的行为都提高了我们的量子传感精度，使我们不受量子不确定性的影响。”“两者都会产生更多的光子，从而导致镜子发出隆隆声。激光功率只是增加了更多的光子，而压缩使它们变得更团块，从而发出隆隆声。”
解决方案是用一种方式压缩引力波的高频光，用另一种方式压缩低频光。这就像在从顶部、底部和侧面挤压气球之间来回移动一样。
这是由LIGO新的频率依赖压缩腔完成的，该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光特征(相位或振幅)中。
Ganapathy说:“我们确实在做很酷的量子实验，但真正的原因是这是提高LIGO灵敏度的最简单方法。”“否则，我们将不得不提高激光的亮度，这有它自己的问题，或者我们将不得不大大增加镜子的尺寸，这将是昂贵的。”
LIGO的合作伙伴处女座天文台可能也会在目前的运行中使用频率依赖的压缩技术，这将持续到大约2024年底。下一代更大的引力波探测器，如计划中的地面宇宙探测器，也将从压缩光中获益。
凭借其新的频率依赖压缩腔，LIGO现在可以探测到更多的黑洞和中子星碰撞。Ganapathy说，他最兴奋的是能捕捉到更多的中子星相撞。“通过更多的探测，我们可以看到中子星相互撕裂，并了解更多关于内部的信息。”
巴索蒂说:“我们终于利用了我们的引力宇宙。”“在未来，我们可以进一步提高我们的灵敏度。我想看看我们能走多远。”
参考文献:“基于频率依赖压缩的LIGO探测器的宽带量子增强”，作者D. Ganapathy等人(LIGO O4探测器合作)，2023年10月30日，物理评论X. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041021
《物理评论X》的研究题为“LIGO探测器的频率依赖压缩宽带量子增强”。许多其他研究人员对压缩和频率相关压缩工作的发展做出了贡献，包括麻省理工学院的迈克·祖克和加州理工学院的加里琳·比林斯利，他们是“高级LIGO Plus”升级项目的负责人，该项目包括频率相关压缩腔;LIGO汉福德天文台的Daniel Sigg;LIGO利文斯顿实验室的Adam Mullavey;以及澳大利亚国立大学大卫·麦克利兰的研究小组。
LIGO-Virgo-KAGRA合作组织在美国、意大利和日本运营着一个引力波探测器网络。LIGO实验室由加州理工学院和麻省理工学院运营，由美国国家科学基金会资助，德国(马克斯普朗克学会)、英国(科学技术设施委员会)和澳大利亚(澳大利亚研究委员会)对先进的LIGO探测器做出了贡献。处女座由欧洲引力天文台(EGO)管理，由法国国家科学研究中心(CNRS)、意大利国家核物理研究所(INFN)和荷兰国家亚原子物理研究所(Nikhef)资助。KAGRA由东京大学宇宙射线研究所(ICRR)主办，日本国家天文台(NAOJ)和高能加速器研究组织(KEK)共同主办。
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