LIGO是如此敏感，以至与光的量子噪声一起颤抖

量子效应通常被认为是小而脆弱的。通常情况下，只有当物体很小并且保持在绝对零度附近时，我们才能检测到它们，而它们被那些条件之外的非量子效应淹没了。基本上都是。在周三出版的“自然”杂志上，研究人员报告说，可以在一些非常大的物体中探测到量子效应：激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的40公斤重的反射镜。

这篇论文详细介绍了研究人员是如何探测到LIGO反射镜中的噪音的，这些噪音是由反射到LIGO反射镜上的光的量子波动引起的。通过添加一些特别准备的光，研究人员限制了这种噪音，从而提高了对引力波的探测灵敏度。

LIGO硬件中有很多噪声源。关键的硬件位于真空室内，但是我们不能真正消除所有的杂散分子撞到它上面。镜子是常温保存的，所以有一些热噪音总是干扰我们的测量。然后是量子噪音。LIGO是基于相隔几公里的镜子，来回反射激光束多次。这些激光束是由遵守量子力学规则的光子组成的。

在这种情况下，问题是对光的测量，如果激光被经过的引力波改变，就会形成一种干涉图案，这种干涉图案会微妙地移动。但同样的光也会受到空间本身量子涨落的影响。这些波动产生的噪声源限制了仪器测量的精度，从而限制了我们探测引力波事件的能力。

限制这种噪音的关键是海森堡测不准原理，该原理规定我们了解量子物体的性质是有限度的。因此，我们不能说出这些光子的位置超过一定的极限，因为它们一直在一定的数值范围内波动。

但有一条路可以绕过海森堡。某些量子属性可以相互关联，在这种情况下，不确定性限制了这些属性的组合值。如果您在其中一个属性中接受大量噪波，则可以在测量另一个属性时获得更高的精度。著名的是，这适用于位置和动量：如果你想更准确地知道粒子在哪里，你可以通过牺牲其动量的精度来做到这一点。

但是，位置和动量并不是唯一可以关联的属性。在这种情况下，研究人员依赖于光波振幅和相位之间的相关性。通过操纵其中一个，他们可能会增加另一个的不确定性。

这些关联自然发生在LIGO仪器内部的光线中。当它在两面镜子之间来回反弹时，它会在镜子上施加一种名为辐射压力的力。这个过程在仪器内部的光子的振幅和相位之间产生了关联。反过来，相位对于创建记录引力波通过的干涉图案至关重要。

为了利用这种相关性来压缩量子噪音，研究人员使用所谓的压缩真空来操纵光的振幅。在这种状态下，光的平均振幅为零，但是仍然可以操纵相位和振幅，从而允许这些属性之一被压缩。被压缩的真空被引导到仪器中，在那里它与一个临界镜相互作用，而临界镜也与仪器本身发出的压缩光子相互作用。

作为对照，研究人员在没有挤压真空的情况下运行该装置，该装置提供了来自所有来源的噪音的基线读数。然后，他们将压缩后的真空注入仪器，尝试对其振幅和相位进行不同程度的压缩。这导致了较低的总噪声，并且他们的测量表明噪声对压缩特性很敏感。通过改变这些属性，他们能够将最小噪声频率转移到不同的频率，从而提高了LIGO对特定事件类别的敏感度。

这一结果在许多方面都意义重大。首先，噪音的差异取决于光与室温下一面40公斤重的镜子之间的相互作用。这并不意味着镜子表现得像一个量子物体，或者与光纠缠在一起。但这确实意味着我们可以测量量子相互作用对坐在室温下的大型物体的物理运动的影响。

这有几个有趣的后果。首先，这是研究人员第一次设法在这样的设置中逃脱量子不确定性对系统施加的限制。这也意味着研究人员在没有破坏光包含的信息的情况下改变了光的量子属性。

虽然从理解量子力学的角度来看，这两项成就都很重要，但降低噪音对操作设备也是至关重要的。作者写道，在LIGO/Virgo的第三次观测过程中，LIGO中的挤压角被设置为优化探测器对来自双星中子星合并的引力波的灵敏度。这是允许高级LIGO从在观测运行1和2中每月检测大约一个天体物理事件到在LIGO/处女座的第三个观测运行中每周检测大约一个天体物理触发事件的因素之一。"；