“量子挤压”测量技术诞生！可提高引力波探测器灵敏度

据报道，1个世纪前，世界上最伟大的物理学家爱因斯坦首次预测引力波的存在。1个世纪后，一个全球引力波观测网络在探测这种微弱辐射的道路上又往前迈进一步。如果探测到引力波，科学家能够得出一系列有关宇宙的新发现。

西澳大利亚大学物理学教授、澳大利亚国际重力研究中心(位于佩思北部87公里)主任大卫-布莱尔是一个规模巨大的国际研究小组的西澳大利亚负责人。这个国际研究小组宣布验证了一种名为“量子挤压”的新测量技术，能够提高引力波探测器的灵敏度。布莱尔表示：“这是全尺度引力波探测器第一次打破量子测量障碍。这一成就就像突破音障一样。一些人一度认为这是不可能做到的。突破音障证明超音速飞行具有可行性。我们现在知道音障并不是一个无法突破的障碍。这一次的验证将允许科学家研制灵敏度更高的引力波探测器。”

引力波就像是太空中的“波浪”，由恒星爆炸、超新星爆炸等极端宇宙事件以及黑洞形成。它们的速度达到光速并且携带大量能量。借助于新探测器，科学家据信每周可探测到一次这样的事件。随着探测器灵敏度的稳步提高，科学家有望在几年后探测到引力波。通过“量子挤压”，科学家能够观测到距离地球更远的引力波源头。为了提高成功探测到引力波的几率，科学家需要在南半球安装一台探测器，用于锁定信号位置和降低干扰。

布莱尔指出：“引力波探测器已经被证明是迄今为止制造的灵敏度最高的引力测量仪器，有能力观测到幅度只有几阿米的移动。这种移动非常微小，甚至可以与质子的直径相提并论。研究结果表明物理学家在提高探测器灵敏度的道路上不断前进。探测技术的进步将允许科学家了解引力波谱，允许人类第一次听到引力的声音。据信，引力波一直像波浪一样以光速在宇宙中穿行。”(1阿米相当于10的负18米)

根据刊登在《自然-光子学》杂志上名为“利用压缩真空提供LIGO引力波探测器的灵敏度”的研究论文，压缩的真空被注入电子束分裂器的端口，提高LIGO(激光干涉引力波观测台的英文首字母缩写)一台引力波探测器的灵敏度，超越量子噪声的极限。这项实验在华盛顿汉福德的H1探测器上进行。目前，科学家正在研究将压缩真空转化成频率相依的压缩真空的技术，用于高级LIGO研究项目。

关于引力波

英文中有时也写作gravity wave；但更多场合中，gravity wave是留给地球科学与流体力学中另一种性质迥异的波动。关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。

引力波的性质

引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到 。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。

天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。

NASA计划用原子干涉仪来探测幽灵般的引力波

据报道，引力波是大质量天体（恒星或黑洞）运动时激发的向外传播的时空涟漪，爱因斯坦曾预言了它的存在。通常引力波非常微弱，当它传播到地球的时候，地球仅能被拉伸和压缩一个原子的尺度。

美国宇航局计划利用原子奇特的量子特性来探测引力波并对一种叫做“原子干涉”的方法进行了资金支持。科学家设想发射3颗完全一样的探测器到太空中并组成一个边长为500公里至5000公里的正三角形。当引力波扫过该区域时，由这3颗探测器组成的巨大干涉仪就能感受到微小的扰动。

来自斯坦福大学的物理学家马克·凯瑟维奇（Mark Kasevich）说：“这项新技术能使科学家探测到遥远天体系统中的黑洞或恒星合并时发出的引力波。该技术还能用来开发军用潜艇或飞行器上使用的灵敏传感器。凯瑟维奇所在的斯坦福大学的实验室一直在为美国国防部研发陀螺仪、重力计、加速度计以及重力梯度计。

凯瑟维奇告诉“每日科技新闻”说：“对于美国宇航局来说，引力波探测器投入使用是下一个十年的事情。太空基的引力波探测器或许还要等更久的时间。

通常的干涉仪是一种有200多年历史的技术。科学家通过分光器把一束光线分成完全相同的两束，然后让其中的一束光线通过被测对象，最后再让两束光线发生干涉来对被测对象进行精密测量。

这项原子干涉技术是由美国宇航局“先进概念项目”投资的。该项技术基于量子力学效应。量子力学是描述物质在微观尺度上行为的理论。

科研人员首先通过使用激光冷却技术把原子冷却到接近绝对零度（零下273摄氏度），此时原子的行为更像是波而不是粒子。然后通过发射更多的激光脉冲使原子进入一种“量子叠加态”（能够允许原子同时存在于多重态）。

原子进入量子多重叠加态意味着，单个原子也可以劈成不同的独立存在的状态，然后就像独立的粒子一样沿着不同的路线运动，直到被探测器接收才合成一颗粒子。即使原子经过的路径被经过的引力波及其细微的改变，这种原子干涉仪也能够探测到异常。

科研人员首先计划在斯坦福大学物理实验室，一个高33英尺（约合10米）的落塔上进行原子干涉实验。他们利用激光对一团正在下落的铷原子（rubidium atoms）进行冷却并使它们进入到幽灵般的量子叠加态。实验的验证成功将会为太空版的原子干涉仪奠定基础。