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  • 攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    日本国家天文台科学家利用位于东京三中的前TAMA300引力波探测器的基础设施,展示了一种降低探测器中量子噪声的新技术。这项新技术将提高探测器的灵敏度,这些探测器组成了一个合作的全球引力波网络,能够观测到更微弱的引力波。当它在2000年开始观测时,TAMA300是世界上最早的大规模干涉引力波探测器之一,当时,TAMA300的灵敏度还是世界上最高的。

    攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    TAMA300还对引力波信号的强度设定了上限;但15年后的2015年,LIGO首次探测到了实际的引力波。从那时起,探测器技术已经改进到现代探测器每月观测几个信号的地步。从这些观测中获得的科学成果已经令人印象深刻,预计在接下来的几十年里还会有更多成果。TAMA300不再参与观测,但仍被用作改进其他探测器的新技术试验台。目前和未来引力波探测器的灵敏度,几乎在所有频率都受到电磁场真空涨落效应引起的量子噪声限制。

    攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    但即使是这种固有的量子噪音也可以回避,有可能操纵真空涨落来重新分配量子不确定性,以增加另一种不同、障碍性较小类型的噪声为代价来减少一种类型噪声。这种被称为真空压缩的技术已经在引力波探测器上实现,极大地提高了它们对更高频率引力波的灵敏度。但是,电磁场与探测器反射镜之间的光机相互作用,使真空压缩效应随频率的变化而变化。因此,在低频下,真空压缩会增加错误类型的噪声,实际上会降低灵敏度。

    攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    为了克服这一限制并降低所有频率的噪音,日本国家天文台(NAOJ)一个由内部引力波科学项目和KAGRA合作(但也包括Virgo和GEO合作的研究人员)成员组成的团队,现在证明了一种称为频率依赖真空压缩的技术,在引力波探测器有用频率上的可行性。

    由于探测器本身与电磁场相互作用随频率的不同而不同,研究小组使用了以前的TAMA300探测器基础设施来创建一个本身随频率变化的磁场。正常的(与频率无关)压缩真空场从300米长的光腔反射,从而印记频率依赖关系,并且它能够抵消干涉仪的光学机械效应。

    攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    这项技术将能同时提高高频和低频的灵敏度。这是一个关键的结果,展示了提高未来探测器灵敏度的关键技术。它的实施计划作为近期升级,加上其他改进,预计将使第二代探测器的观测范围翻一番。其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上,用于先进引力波探测器宽带量子噪声降低的频变压缩真空源,麻省理工学院的一个研究小组使用16米长的滤光腔也得到了类似结果,这两研究篇论文将联合发表。

    攻克引力波探测器,受电磁场真空涨落效应,引起的量子噪声限制!

    博科园|研究/来自:国立自然科学研究院

    参考期刊《物理评论快报》

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