新的LIGO技术“挤压”超出量子噪声,提高引力波检测

量子挤压装置Ligo引力波探测器

研究人员安装一个新的量子挤压设备为LIGO的引力波探测器之一。信用:丽莎Barsotti

新仪器扩展LIGO的接触:技术‘挤压’出量子噪声,从而更引力波信号可被检测。

就在一年前,美国国家科学基金会(National Science foundation)资助的激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,简称LIGO)还捕捉到了有关引力波的传言引力波每个月左右。现在,系统的新增功能是使仪器能够在每周几乎在时空中检测这些涟漪。

自4月份Ligo的第三次运营运行开始以来,一款称为量子真空挤压器的新仪器已经帮助科学家挑出了几十个重力波信号,包括似乎已被二进制生成的仪器中子星- 两个中子恒星的爆炸合并。

随着新的挤压技术,利戈已经刮掉了这种混杂量子裂纹,将探测器的范围延长了15%。

科学家们称之为“挤压器”的激光干涉引力波探测器是由麻省理工学院研究人员以及来自CALTECH的合作者以及澳大利亚国立大学,谁详细阐述其在运作今天发表的论文(2019年12月5日)在杂志物理评论信

什么仪器“挤压”是量子噪声 - 在使其进入探测器的真空空间无穷小的波动。的信号即LIGO检测非常小,所以,这些量子,否则小幅波动可以具有污染影响,潜在地弄脏或完全掩蔽引力波的输入信号。

LIGO量子压榨机

量子挤压器的特写镜头,将Ligo预期的预期检测范围扩大了50%。信用:Maggie TSE

“量子力学涉及到LIGO的激光是由光子构成的这一事实,”该研究的主要作者、麻省理工学院研究生Maggie Tse解释说。“不是连续的激光流,如果你看得足够近,它实际上是一个嘈杂的单个光子游行,每一个都受到真空波动的影响。而连续的光流会在探测器中产生持续的嗡嗡声,单个光子每次到达探测器时都带有一点‘砰’的声音。”

“这种量子噪声就像背景中的爆米花噼啪声,潜入我们的干涉仪,非常难以测量,”麻省理工学院物理系副主任、天体物理学大理石教授纳吉斯·马瓦尔瓦拉补充说。

这种扩展范围,使LIGO检测几乎每周引力波。

随着新的挤压技术,利戈已经刮掉了这种混杂量子裂纹,将探测器的范围延长了15%。与增加LIGO的激光功率相结合,这意味着检测器可以挑选出通过在宇宙中的源产生的引力波至约140 megaparsecs,或400多万光年。这种扩展范围,使LIGO检测几乎每周引力波。

“当检测率上升,我们不仅更加了解我们所知道的来源,因为我们有更多的研究,但我们的发现未知的东西潜力进来,” Mavalvala,在LIGO科学团队的长期成员说:。“我们正在铸造更广阔的网络。”

新论文的第一作者是研究生玛吉和谢宇Haocun,和丽莎Barsotti,在麻省理工学院的科维理研究所天体物理和空间研究公司的首席研究科学家,与其他一起在LIGO科学合作。

量子限制

LIGO由两个相同的探测器组成,一个位于华盛顿州的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器都由两个4公里长的隧道或手臂组成,每一个都以“l”的形状从另一个伸出。

为了检测引力波,科学家从L形探测器的角发送激光束,向下每个臂,在悬挂镜子的末端。每个激光反弹其各自的镜子,并向每个臂重新行驶到它启动的位置。如果引力波通过探测器,它应该换一个或两个反射镜的位置,这反过来反过来影响每个激光器的到达时的原点。这个时间是科学家可以测量的东西来识别引力波信号。

激光干涉引力波天文台测量的不确定性主要来自激光器周围真空中的量子噪声。虽然真空通常被认为是一种虚无,或空间中的空虚,但物理学家将其理解为一种状态,在这种状态中,亚原子粒子(在这种情况下,是光子)不断被创造和破坏,出现和消失的速度如此之快,以至于很难被探测到。这些光子的到达时间(相位)和数量(振幅)同样是未知的,也同样是不确定的,这使得科学家很难从量子噪声的背景中识别出引力波信号。

然而,这种量子裂纹是恒定的,并且随着Ligo寻求检测到更远的信号,这种量子噪声已经变得更加限制因素。

巴索蒂指出:“我们正在进行的测量非常敏感,量子真空很重要。”

挤压“幽灵”噪音

MIT的研究团队在15年前开始设计一个装置,以挤压量子噪声的不确定性,以揭示否则将埋在量子噪声的微弱和更远的重力波信号。

量子挤压是在20世纪80年代首次提出的理论,概念是量子真空噪声可以表示为沿两个主轴的不确定性的球体:相位和幅度。如果该球体被挤压,就像应力球一样,以沿着振幅轴线收缩球体的方式,这实际上将缩小真空的幅度状态(应力球的挤压部分)的不确定性,同时增加uncertainty in the phase state (stress ball’s displaced, distended portion). Since it is predominantly the phase uncertainty that contributes noise to LIGO, shrinking it could make the detector more sensitive to astrophysical signals.

大约40年前,当这个理论首次被提出时,几个研究小组试图在实验室里建造量子压缩仪器。

“在这些第一次演示之后,它很安静,”Mavalvala说。

“建造挤压机的挑战在于,被挤压的真空状态非常脆弱,”Tse补充道。“把被挤压的球完整地从它产生的地方带到它被测量的地方,是非常困难的。任何失足,球就会弹回原位。”

“我们拥有这种怪异的量子真空,我们可以在没有实际违反自然定律的情况下操纵,我们可以改善测量。”- NERDIS MAVALVALA.

于是,2002年左右,就如同LIGO的探测器首次开始寻找引力波,研究人员在麻省理工学院开始对量子压缩,以此来减少那些可能掩盖一个令人难以置信的晕引力波信号中的噪声思维。他们开发了一个初步设计用于真空挤压,他们在2010年LIGO的汉福德网站进行测试。结果令人鼓舞:设法提高LIGO的信噪比仪器 - 一个有前途的信号与背景噪声的强度。

此后,团队,由谢霆锋和Barsotti的带领下,已经改进了设计,建成并集成压挤到两个LIGO探测器。该挤压的心脏是一个光学参量振荡器,或OPO - 领结形装置保持的反射镜的结构内的小晶体。When the researchers direct a laser beam to the crystal, the crystal’s atoms facilitate interactions between the laser and the quantum vacuum in a way that rearranges their properties of phase versus amplitude, creating a new, “squeezed” vacuum that then continues down each of the detector’s arm as it normally would. This squeezed vacuum has smaller phase fluctuations than an ordinary vacuum, allowing scientists to better detect gravitational waves.

除了增强LIGO探测引力波的能力,这种新的量子压缩器还可能帮助科学家更好地提取产生引力波的源的信息。

“我们有这个怪异的量子真空,我们可以在不违反实际上自然规律操作,然后我们就可以做出改进的测量,” Mavalvala说。“它告诉我们,我们有时可以做一个最终奔波性质。并非总是如此,但有时“。

参考文献:“量子强化高级LIGO探测器在重力波天文学时代”,由M. Tse等人,2019年12月5日。物理评论信
DOI:10.1103 / PhysRevLett.123.231107

该研究部分受到国家科学基金会的支持。Ligo是由CALTECH和MIT构建的。

是第一个评论“新的Ligo技术”挤压“改善引力波检测的量子噪声”

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