麻省理工学院朱棣文教授 信用:CC0公共领域 从量子力学的角度来看，宇宙是一个嘈杂、噼啪作响的空间，粒子不断闪烁，形成量子噪声的背景，其影响通常过于微妙，无法在日常物体中检测到
现在，由麻省理工学院LIGO实验室的研究人员领导的一个团队第一次在人类尺度上测量了量子波动对物体的影响
在发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，尽管量子波动可能很小，但仍然可以“踢”一个像美国国家科学基金会激光干涉仪引力波观测站(LIGO)的40公斤重的镜子一样大的物体，导致它们以小组能够测量的微小程度移动
事实证明，LIGO探测器中的量子噪声足以使大镜子移动10-20米——这是量子力学对这种大小的物体预测的位移，但这是以前从未测量过的
“一个氢原子有10-10米长，所以镜子的这种位移对于氢原子来说就像氢原子对于我们一样——我们测量了这一点，”麻省理工学院卡弗利天体物理和空间研究所的研究科学家李·麦卡勒说
麻省理工学院物理系研究生俞浩存(音译)解释说，研究人员使用了他们设计的一种叫做量子挤压器的特殊仪器，来“操纵探测器的量子噪声，减少其对反射镜的冲击，从而最终提高LIGO探测引力波的灵敏度。”
“这个实验的特别之处在于，我们已经看到了像人类一样大的物体上的量子效应，”麻省理工学院物理系副教授内吉斯·马瓦瓦拉说
“我们也一样，在我们存在的每一秒钟里，都被这些量子波动所打击
只是我们存在的抖动，我们的热能，对于这些量子真空波动来说太大了，无法测量地影响我们的运动
有了LIGO的镜子，我们已经做了所有这些工作来将它们与热驱动运动和其他力隔离开来，这样它们现在仍然足以被量子波动和这个怪异的宇宙爆米花踢来踢去
" 俞、马瓦拉和麦卡勒是这篇新论文的合著者，还有麻省理工学院的研究生谢曼玉和首席研究科学家丽莎·巴尔索蒂，以及LIGO科学合作组织的其他成员
量子踢腿 LIGO被设计用来探测从几百万到几十亿光年之外的灾变源到达地球的引力波
它包括两个双探测器，一个在华盛顿州的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿
每个探测器都是一个由两个4公里长的隧道组成的L形干涉仪，在隧道的尽头悬挂着一面40公斤重的镜子
为了探测引力波，位于LIGO干涉仪输入端的激光器向探测器的每个隧道发出一束光，在探测器的远端被反射镜反射，回到起点
在没有引力波的情况下，激光应该会在同一时间返回
如果引力波通过，它会短暂地干扰镜子的位置，从而干扰激光的到达时间
已经做了很多工作来保护干涉仪免受外部噪声的影响，这样探测器就有更好的机会识别由入射引力波产生的极其细微的干扰
马瓦瓦拉和她的同事想知道LIGO是否也足够敏感，以至于仪器甚至可以感受到更微妙的效应，比如干涉仪本身的量子波动，特别是LIGO激光器中光子产生的量子噪声
“激光中的这种量子波动会导致辐射压力，实际上会踢到一个物体，”麦卡勒补充道
“在我们的例子中，物体是一面40公斤重的镜子，比其他小组测量这种量子效应的纳米级物体重10亿倍
" 噪音挤压器 为了观察他们是否能够测量LIGO巨大镜子对微小量子波动的反应，研究小组使用了他们最近制造的仪器作为干涉仪的附件，他们称之为量子挤压器
借助挤压器，科学家可以在LIGO干涉仪中调节量子噪声的特性
量子压缩动画
学分:马克·迈尔斯，奥格拉夫/史文朋大学 该小组首先测量了LIGO干涉仪中的总噪声，包括背景量子噪声，以及“经典”噪声，或由日常正常振动产生的干扰
然后，他们打开挤压器，并将其设置到一个特定的状态，具体改变了量子噪声的属性
然后，他们能够在数据分析过程中减去经典噪声，以隔离干涉仪中的纯量子噪声
由于探测器不断监测反射镜对任何外来噪声的位移，研究人员能够观察到光是量子噪声就足以使反射镜位移10-20米
马夫瓦拉指出，测量结果与量子力学预测的完全一致
“但看到它在如此重大的事情上得到证实，还是很了不起的，”她说
更进一步，研究小组想知道他们是否能操纵量子挤压器来降低干涉仪中的量子噪声
挤压器是这样设计的，当它设置到一个特定的状态时，它“挤压”量子噪声的某些属性，在这种情况下，相位和振幅
相位波动可以被认为是由光传播时间的量子不确定性引起的，而振幅波动会给镜面带来量子冲击
“我们认为量子噪声沿着不同的轴分布，我们试图在某些特定的方面降低噪声，”于说
当挤压器被设置到某一状态时，它可以例如挤压或缩小相位的不确定性，同时扩张或增加幅度的不确定性
在不同角度挤压量子噪声会在LIGO探测器中产生不同比例的相位和幅度噪声
该小组想知道改变这种挤压的角度是否会在LIGO的激光和它的镜子之间产生量子关联，以一种他们也可以测量的方式
为了测试他们的想法，研究小组将挤压器设置为12个不同的角度，并发现，事实上，他们可以测量激光中各种量子噪声分布与镜子运动之间的相关性
通过这些量子关联，研究小组能够将量子噪声和由此产生的镜面位移压缩到正常水平的70%
顺便说一句，这一测量低于所谓的标准量子极限，在量子力学中，标准量子极限表示给定数量的光子，或者在LIGO的情况下，某一水平的激光功率，预计会产生一定的最小量子波动，这将对其路径上的任何物体产生特定的“反冲”
通过使用压缩光来降低LIGO测量中的量子噪声，该团队已经使测量比标准量子极限更精确，降低了噪声，最终将帮助LIGO探测到更微弱、更遥远的引力波源
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