1916年，在廣義相對論發表不久後，愛因斯坦通過計算表明，巨大的、加速的物體會擾亂和扭曲時空，產生所謂的時空漣漪，也就是引力波。然而，直到2015年，鐳射干涉引力波觀測臺（LIGO）才首次直接探測到引力波——它是由兩個黑洞併合在一起產生的。
LIGO之所以成功，核心就在於它能夠在僅為人類頭髮絲的1萬萬億分之一的尺度上，測量時空結構的拉伸和擠壓。不過，LIGO的精度也一直受到量子物理定律的限制，這是因為在非常微小的亞原子尺度上，真空裡充滿了微弱的量子噪聲，它們會干擾LIGO的測量、限制探測器的靈敏度。
現在，在一項新的研究中，LIGO的研究人員在《物理評論X》雜誌上報告了一項名為「量子擠壓」（quantum squeezing）的技術的重大進展。他們發展出了一種「頻率相關擠壓」技術，極大地提高了LIGO所能探測到的頻率範圍，使LIGO可以捕捉到比以前多60%的引力波事件。
不確定性原理
根據量子物理學定律，包括光子在內的粒子會在真空中隨機「進出」，產生量子噪聲，給LIGO基於鐳射的測量帶來了一定程度的不確定性。量子擠壓起源於20世紀70年代末，是一種消除量子噪聲的方法。更具體地說，它是一種為了進行更精確的測量，將噪聲從一個地方推向另一個地方的方法。
要理解光的「擠壓」，我們可以用動物形狀的氣球來類比：以一個小狗氣球為例，我們可以把氣球的一部分捏住，擠壓成一個每一處都精確定位的一整片圖案；但氣球的另一邊就會膨脹為一個更大、更不精確的尺寸。
光也同樣可以如此：在一個特性上被擠壓得更精確（比如頻率），但它的另一個特性會變得更加不精確（比如功率）。這種限制基於的是量子力學中的不確定性原理。根據這一原理，我們不可能同時準確知道物體的位置和動量，或光的頻率和功率。
自2019年以來，為了提高LIGO對高頻範圍的引力波的探測靈敏度，LIGO的雙探測器一直在以這樣一種方式擠壓光。但是，就像擠壓氣球的一邊會導致另一邊膨脹一樣，擠壓光是有代價的，通過使LIGO在高頻上的測量更加精確，它在低頻上的測量就會變得不那麼精確。
擠壓雜散光
我們知道，LIGO是一個L型的探測器，有兩個互相垂直的長為4000米的長臂。其工作原理是將一束鐳射被分成兩束，並沿著兩臂傳播。在兩臂的末端設有反射鏡，鐳射會擊中反射鏡，然後返回到分束器。由於光的波長是相等的，兩束光在相遇時會發生干涉，並完全抵消，也就是相消干涉。
當引力波「掃過」地球時，情況就不一樣了。引力波會使地球周圍的時空扭曲，導致兩臂的長度將受到影響，一個臂略微地長於另一個臂。這種有節奏地對兩臂的拉伸和擠壓會持續到引力波完全通過。這時，鐳射在返回分光束後並進行干涉時，便不再能完全相消，從而使得探測器可以記錄到干涉圖樣，揭示引力波的存在。
然而，隱藏在LIGO的真空管內的量子噪聲，可以對鐳射束中光子的到達時間產生微小的干擾。自2019年以來，LIGO便一直使用擠壓技術來使光子更規律地抵達。在實際操作中，這種技術是在特殊晶體的幫助下完成的。這些晶體可以把一個光子變成一對糾纏的、能量較低的光子，它們不會直接擠壓LIGO鐳射束中的光，而是擠壓LIGO的真空管中的雜散光，雜散光會與鐳射相互作用，間接擠壓鐳射。
一個簡單但有效的方法
然而，正如前面提到的，這種擠壓是有代價的。鐳射中的量子噪聲並沒有被完全消除，而是將頻率上的噪聲轉移到了振幅上——它使鐳射的頻率（或者說時間）更精確，而振幅（或者說功率）更加不精確。
如此一來，更強大的鐳射束會推動LIGO的反射鏡，產生與較低頻的引力波相對應的噪聲，從而削弱了探測器捕捉低頻引力波的能力。這意味著，儘管使用擠壓技術可以在某些方面減少混亂，但其他方面仍然受到物理學定律的約束。
在新發表的研究中，LIGO團隊用一種最簡單的、低成本的方法，給出了解決方案。研究人員發展出了一個長300米的頻率相關光腔，使得LIGO可以根據引力波的頻率，以不同的方式對光進行擠壓，從而減少LIGO在整個頻率範圍內的噪聲。
圖中顯示的是LIGO裝有300米濾腔的真空管，用於實現頻率相關的量子擠壓。這個光腔控制著光波的相對相位，研究人員可以根據引力波的頻率範圍選擇性地將量子噪聲移動到不同的性質（相位或振幅）中。（圖/MJ Doherty）
位於歐洲的Virgo探測器可能也將會在目前的運行（大約將持續到2024年底）中使用這種頻率相關的擠壓技術。下一代的更大的引力波探測器，如正在計劃中的地基宇宙探測者（Cosmic Explorer），也將從這樣的擠壓光中獲益。
開啟新的未來
現在，憑藉這種頻率相關擠壓腔，LIGO超越了量子極限，可以探測到更多的黑洞和中子星併合事件，進行更多的天文學研究，幫助天文學家更好地了解中子星如何相互撕裂，並了解更多關於中子星內部的資訊。
這些結果也對未來的量子技術，如量子計算機和其他微電子技術以及基礎物理實驗，產生了積極的影響 。科學家可以把從LIGO學到的東西，應用到其他需要在亞原子尺度上以極高的精度進行測量的問題上。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20231023
#圖片來源：
封面圖&首圖：Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory