攻克引力波探測(cè)器，受電磁場(chǎng)真空漲落效應(yīng)，引起的量子噪聲限制！

日本國(guó)家天文臺(tái)科學(xué)家利用位于東京三中的前TAMA300引力波探測(cè)器的基礎(chǔ)設(shè)施，展示了一種降低探測(cè)器中量子噪聲的新技術(shù)。這項(xiàng)新技術(shù)將提高探測(cè)器的靈敏度，這些探測(cè)器組成了一個(gè)合作的全球引力波網(wǎng)絡(luò)，能夠觀測(cè)到更微弱的引力波。當(dāng)它在2000年開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，TAMA300是世界上最早的大規(guī)模干涉引力波探測(cè)器之一，當(dāng)時(shí)，TAMA300的靈敏度還是世界上最高的。

TAMA300還對(duì)引力波信號(hào)的強(qiáng)度設(shè)定了上限；但15年后的2015年，LIGO首次探測(cè)到了實(shí)際的引力波。從那時(shí)起，探測(cè)器技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)到現(xiàn)代探測(cè)器每月觀測(cè)幾個(gè)信號(hào)的地步。從這些觀測(cè)中獲得的科學(xué)成果已經(jīng)令人印象深刻，預(yù)計(jì)在接下來(lái)的幾十年里還會(huì)有更多成果。TAMA300不再參與觀測(cè)，但仍被用作改進(jìn)其他探測(cè)器的新技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)。目前和未來(lái)引力波探測(cè)器的靈敏度，幾乎在所有頻率都受到電磁場(chǎng)真空漲落效應(yīng)引起的量子噪聲限制。

但即使是這種固有的量子噪音也可以回避，有可能操縱真空漲落來(lái)重新分配量子不確定性，以增加另一種不同、障礙性較小類(lèi)型的噪聲為代價(jià)來(lái)減少一種類(lèi)型噪聲。這種被稱(chēng)為真空壓縮的技術(shù)已經(jīng)在引力波探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)，極大地提高了它們對(duì)更高頻率引力波的靈敏度。但是，電磁場(chǎng)與探測(cè)器反射鏡之間的光機(jī)相互作用，使真空壓縮效應(yīng)隨頻率的變化而變化。因此，在低頻下，真空壓縮會(huì)增加錯(cuò)誤類(lèi)型的噪聲，實(shí)際上會(huì)降低靈敏度。

為了克服這一限制并降低所有頻率的噪音，日本國(guó)家天文臺(tái)(NAOJ)一個(gè)由內(nèi)部引力波科學(xué)項(xiàng)目和KAGRA合作(但也包括Virgo和GEO合作的研究人員)成員組成的團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在證明了一種稱(chēng)為頻率依賴(lài)真空壓縮的技術(shù)，在引力波探測(cè)器有用頻率上的可行性。

由于探測(cè)器本身與電磁場(chǎng)相互作用隨頻率的不同而不同，研究小組使用了以前的TAMA300探測(cè)器基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)創(chuàng)建一個(gè)本身隨頻率變化的磁場(chǎng)。正常的（與頻率無(wú)關(guān)）壓縮真空?qǐng)鰪?00米長(zhǎng)的光腔反射，從而印記頻率依賴(lài)關(guān)系，并且它能夠抵消干涉儀的光學(xué)機(jī)械效應(yīng)。

這項(xiàng)技術(shù)將能同時(shí)提高高頻和低頻的靈敏度。這是一個(gè)關(guān)鍵的結(jié)果，展示了提高未來(lái)探測(cè)器靈敏度的關(guān)鍵技術(shù)。它的實(shí)施計(jì)劃作為近期升級(jí)，加上其他改進(jìn)，預(yù)計(jì)將使第二代探測(cè)器的觀測(cè)范圍翻一番。其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，用于先進(jìn)引力波探測(cè)器寬帶量子噪聲降低的頻變壓縮真空源，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組使用16米長(zhǎng)的濾光腔也得到了類(lèi)似結(jié)果，這兩研究篇論文將聯(lián)合發(fā)表。

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博科園｜研究/來(lái)自：國(guó)立自然科學(xué)研究院

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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