新的LIGO技术“挤压”超出量子噪声，提高引力波检测

研究人员将新量子挤压装置安装到Ligo的引力波探测器之一中。

新仪器延伸了Ligo的范围：技术“挤压”超出量子噪声，从而可以检测更多的引力波信号。

只有一年前，国家科学基金会资助激光干涉仪引力 - 波天文台或利戈每月都在挑选引力波的耳语。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月的Ligo第三次运营开始以来，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，包括似乎已被二元中子星生成的重力波信号 - 爆炸融合了两个中子恒星。

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栏，被麻省理工学院研究人员与利普的探测器一起设计，建造和整合，以及来自卡特克和澳大利亚国立大学的合作者，他在今天发表的一篇文章中详细说明了其工作期刊物理评论信。

仪器“挤压”是量子噪声 - 在使其进入探测器的空间真空中无限小波动。Ligo检测的信号是如此微小的，即这些量子，否则较小的波动可以具有污染效果，潜在的浑浊或完全掩蔽重力波的输入信号。

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％。

“如果Quantum Mechishics进来涉及Ligo的激光由光子制成的事实，”MIT的研究生领导作者Maggie Tse解释道。“而不是一个连续的激光流，如果你看起来足够接近，它实际上是近距离光子的嘈杂游行，每个都在真空波动的影响下。而连续的光流会在探测器中产生恒定的嗡嗡声，但近在的光子各自到达探测器，有点'pop。'。

“这种量子噪音就像在背景中爬进我们的干涉仪的背景中爆米花裂纹，很难测量，”Astrophysics的大理石教授和麻省理工学院的物理部的主管联系Nergis Mavalvala。

该扩展范围使Ligo能够几乎每周才能检测重力波。

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％。结合Ligo的激光功率的增加，这意味着探测器可以挑选由宇宙中的源产生的引力波，到大约140万兆，或超过4亿光年。该扩展范围使Ligo能够几乎每周才能检测重力波。

“当检测速度上升时，我们不仅了解我们所知道的来源的更多信息，因为我们有更多的学习，但我们发现未知事物的可能性进来，”利戈科学团队的长期成员Mavalvala说。“我们正在铸造一个更广泛的网。”

新论文的牵头作者是Maggie Tse和Haocun Yu的研究生，MIT Kavli Astrophli Astrophli研究所的主要研究科学家和Lisa Barsotti，以及Ligo科学合作中的其他人。

量子极限

Ligo包括两个相同的探测器，一个位于华盛顿州Hanford，以及Louisiana的LiveSton的另一个探测器。每个探测器由两个4公里长的隧道或臂组成，每个枪支或臂都以“L”的形状从另一个延伸出来。

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。

Ligo测量中的不确定性的主要来源来自激光周围真空中的量子噪声。虽然真空通常被认为是虚无的，或空间中空虚，但物理学家将其视为亚非原子粒子（在这种情况下，光子）持续创造和破坏的状态，出现如此迅速，它们非常难以消失探测。这些光子的到达时间（阶段）和数量（幅度）同样是未知的，并且同样不确定，这使科学家难以从所得量子噪声的所得到的背景上挑出引力波信号。

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。

“我们制作的测量是如此敏感，Quantum Vacuum很重要，”Barsottige Notes。

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，同时增加相位状态的不确定性（应力球的位移，扩张部分）。由于它主要是对Ligo产生噪声的相位不确定性，因此可以使检测器对天体物理信号更敏感。

当理论首次提出近40年前，少数研究小组试图在实验室中建立量子挤压仪器。

“在这些第一次演示之后，它很安静，”Mavalvala说。

“建筑挤压器的挑战是挤压的真空状态非常脆弱，细腻，”TSE增加。“在一个碎片中挤出挤压的球，从它产生到测量的位置，令人惊讶的是。任何误操作，球都可以恢复到未被释放的状态。“

“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.

然后，在2002年左右，正如利波戈的探测器首次开始寻找引力波，MIT的研究人员开始思考量子挤压为减少可能掩盖一个令人难以置信的微弱引力波信号的噪音。他们开发了一种真空挤压器的初步设计，他们在2010年在Ligo的Hanford网站上进行了测试。结果令人鼓舞：该仪器设法促进了Ligo的信噪比 - 有希望信号的强度与背景噪声相比。

从那时起，由TSE和Barsotti领导的团队已经改进了它的设计，并建造和集成了挤压器进入Ligo探测器。挤压器的核心是光学参数振荡器，或OPO - 一个蝴蝶结形器件，其在镜子的配置内保持小晶。当研究人员将激光束引导到晶体时，晶体的原子促进激光和量子真空之间的相互作用，以重新排列其相位与幅度的性质，产生新的“挤压”真空，然后继续下面探测器的手臂通常会。这种挤压的真空具有比普通真空更小的相波动，允许科学家更好地检测引力波。

除了提高利胶检测引力波的能力之外，新量子挤压器还可以帮助科学家更好地提取有关产生这些波的源的信息。

“我们拥有这种幽灵般的量子真空，我们可以在没有实际违反自然定律的情况下操纵，然后我们可以改善测量，”Mavalvala说。“它告诉我们，我们有时可以在自然界周围进行结束。并不总是，但有时候。“

参考：M.TSE等，2019年12月5日，物理审查信，“黄色波天文学时代的Quantum-Choupperation先进的利加探测器”.DOI：
10.1103 / physrevlett.123.231107

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。Ligo是由CALTECH和MIT构建的。