墨子量子奖解读：从引力波探测中的压缩光到光原子钟

1. 墨子量子奖解读：从引力波探测中的压缩光到光原子钟

  以下文章来源于墨子沙龙 ，作者施郁。 
        2020年12月10日，“墨子量子奖”通过网络会议形式宣布。继前两届分别授予量子计算和量子通信领域之后，2020年度“墨子量子奖”授予了量子精密测量领域。复旦大学教授施郁对获奖人的相关工作进行了解读。  
     
     撰文 | 施郁（复旦大学物理学系教授）  
     
    2020年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域，获奖科学家是做出理论贡献的卡尔顿·凯夫斯 （Carlton Caves） 以及做出实验贡献的香取秀俊 （Hidetoshi Katori） 和叶军。评审委员会给出的信息如下   [1]   。  
     
      Carlton Caves  ，美国新墨西哥大学。  获奖理由：  凭借其在量子精密测量及量子信息理论方面的基础性工作，尤其是阐明干涉仪中的基本噪声及其在压缩状态下的抑制作用方面的工作； 
     
      Hidetoshi Katori  ，日本东京大学；  Jun Ye  ，美国科罗拉多大学博尔德分校。  获奖理由：  凭借他们在量子精密测量方面的突破性成就，特别是在开发极其稳定和精确的光学原子钟方面的成就。 
     
    本文按照作者理解，评介获奖科学贡献以及相关研究领域。  
     
     
    这是引力波探测中的量子噪声问题。对用来探测引力波的激光干涉仪，Carlton Caves分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限，并且提出了用压缩光来克服这个极限。这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用，而且最近已经发挥了作用。  
     
    引力波经过的地方，空间尺度发生振动变化，所以存在于其中的世间万物的长度都发生振动。这也就提供了引力波探测的途径。 
     
    现在人们用激光干涉仪探测引力波。干涉仪通过激光的干涉效应，测量两臂的长度差 （图1） 。事实上，在每个臂上，激光都要来回反射多次，拉长有效路程。引力波通过时，会引起两臂长度差随时间振动，成为引力波的信号。 
     
        
    但是引力波引起的长度变化非常小，相对原来的长度只有大概10  -22  。很多噪声都可能引起物体更大的长度变化，因此引力波探测的一个关键是要排除各种各样的噪声。 
     
    对于探测引力波的激光干涉仪来说，噪声包括低频率的辐射压强在镜子上引起的反冲、镜子悬挂系统的热噪声，以及高频率的量子噪声。之所以有量子噪声，是因为对于这么小的尺度，量子效应要起作用   [2]   。 
     
    因此引力波探测不仅是引力物理问题，而且首先是精密测量问题，作为最精密的测量，与量子计量学密切相关。在量子计量学的 历史 上，引力波探测扮演了重要角色。 
     
    对于量子系统来说，一个物理量可能没有准确的值，称作有“量子涨落”或者“量子噪声”。这限制了测量的准确性。而海森堡不确定关系给出了量子噪声下限。 
     
    对于同一个量子态而言，如果准确确定某个物理量 （比如位置） ，那么与之不相容的物理量 （比如动量，即质量乘以速度） 就不能准确确定。一般来说，对于测量之前的量子态，被测物理量不是确定的，而测量这个物理量，总是使这个物理量变为一个确定值。但是，具体是哪个确定值，却是随机确定的。所以测量改变了测量时刻的量子态，然后量子态随时间演化。这又带来下一次测量的误差。 
     
    引力波探测的 历史 上，最初被考虑的设备是Joseph Weber的巨大金属棒。苏联的Vladimir Braginsky首先研究了不确定关系对位置测量精度的限制。不确定关系说，位置的不确定乘以动量的不确定性不小于一个下限。如果在某个时刻准确确定了位置，那么该时刻的动量就不确定。但是，未来时刻的位置由测量时确定的位置、不确定的动量、时间共同决定，所以未来的位置就有了不确定性，它有一个非零、依赖于时间的最小值，叫做“标准量子极限”。 
     
    Braginsky指出，通过所谓量子非破坏性测量，可以绕过标准量子极限。1980年，Braginsky研究组、Kip Thorne及其合作者 （包括他的学生Caves） 两组团队独立提出了具体方案，叫做“频闪测量法”。对于周期性的振动，每过一个周期，测量一次位置，这样虽然每次测量都改变了量子态，但是并不改变在这些时间的位置   [3]   。  
     
    当时人们也研究用激光干涉仪探测引力波。1980年，作为加州理工学院的博士生，Caves指出，干涉仪的主要误差并不是来自干涉仪中镜子的位置与动量的不相容，而是来自光场的光子数目的涨落，这叫做“散粒噪声” （shot noise）    [4]   。这是探测高频引力波的主要噪声。 
     
    爱因斯坦1905年就告诉我们，光由一颗一颗的光量子 （后来简称“光子”） 组成。作为一个物理量，光子数目可能不确定。不确定关系在这里表现为，光子数目的涨落 （也就是不确定性） 和辐射压强的涨落的乘积不小于一个下限。辐射压强的涨落正比于碰撞镜子的光子束流的涨落。这些涨落都是电磁场的固有性质。  
     
    可以有这样的光，其中光子数目的涨落很小，但是辐射压强的涨落很大，因此仍然满足不确定关系。这样的光叫做“压缩光”，因为某个物理量 （比如光子数目） 的涨落得到了“压缩”。压缩光可以通过非线性光学过程得到。  
     
    1981年，Caves建议，除了激光，再从干涉仪的另一个输入口注入压缩光 （图2）[5] 。压缩光缩小了激光的不同光子到达光子探测器的时间差别。 
     
        
    使用压缩光，降低散粒噪声，特别有利于探测来自中子星或小黑洞并合的引力波。这是因为，在并合过程中，中子星或者小黑洞互相绕行更快，因此发出的引力波的频率较高。 
     
    目前国际上测量引力波的干涉仪主要有：美国LIGO的两个直线相距3002公里的干涉仪，臂长4公里，分别位于Hanford和Livingston；意大利VIRGO的干涉仪，臂长3公理；德国GEO600的干涉仪，臂长600米；日本KAGRA的干涉仪，臂长3公理，这是亚洲第一个、也是世界上第一个位于地下的引力波干涉仪，今年2月份开始运行。 
     
    十几年前，人们就开始在实验上实施压缩光方案。2010年，GEO600首先采用了压缩光，对于不低于750 Hz的引力波探测提高了敏感度 （1Hz代表每秒振动1次）    [6,7]   。几年前，LIGO的Hanford探测器也做了压缩光实验，针对黑洞或中子星并合产生的引力波 （频率可以低至150 Hz） ，敏感度增加了1倍，而且增大了可探测的频率范围宽度 [8] 。 
     
    2015年9月14日， LIGO的两个探测器第一次成功探测探测到了引力波。后来， VIRGO也与LIGO联合探测。在前两轮的探测中，LIGO共探测到11次引力波事件，其中，10次来自黑洞并合，1次来自中子星并合，而且还与Virgo共同探测了几次，包括第一次探测到中子星并合。 
     
    去年4月1日，LIGO的两个探测器和Virgo完成了又一次升级，开始第三轮探测工作，预计持续到明年3月   [9]   。这次升级中，LIGO的两个探测器 （图3） 和Virgo探测器 （图4） 注入了压缩光   [10,11]   ，探测器的激光功率也增加了。 
     
    因此目前这一轮运行中正在使用压缩光，并作更仔细的探测。这样可以捕捉到更多的引力波，估计比以前增加20%至50%，有望得到来自超新星或者黑洞与中子星并合产生的引力波，而且将引力波信号实时预警，使得从射电到X射线波段的望远镜可以合作观察这些事件。  
     
        
        
    事实上，在这一轮运行中，LIGO和Virgo已经得到了一系列观测结果   [14]   。首先，LIGO和Virgo探测到一次黑洞并合产生的引力波 （GW190412） ，其中两个黑洞的质量分别是30和8太阳质量，质量比值超过以前所有的情况。然后，LIGO观察到迄今所探测到的最大的引力波事件 （GW190521） ，来自85太阳质量和66太阳质量的两个黑洞并合为142太阳质量的黑洞。这么大的黑洞既超出了以前所知的恒星级黑洞的质量范围，也不属于超大质量黑洞，给相关的天体物理理论提出了挑战。但是也有可能这个引力波源不是黑洞并合。LIGO和Virgo还探测到26太阳质量的黑洞与2.6太阳质量的天体并合成25太阳质量 （GW190814） ，这也是对理论的一个挑战：一方面，不清楚2.6太阳质量的天体是高质量的中子星还是低质量的黑洞，因为以前认为中子星的最大质量是2.5太阳质量；另一方面，并合前的两个天体质量的比值是迄今最大的。 
     
    目前使用的压缩光有一个不足之处，某个频率的散粒噪声得到压缩，但是降低了更低频率的敏感度。最近，研究人员又完成了依赖于频率的压缩   [12,13]   ，有望下一轮探测 （可能在2022年开始） 中用上。LIGO已经宣布，将在今年秋天再次升级   [14]   。 
     
     
    原子钟是指，原子中的电子改变能量状态时，产生或吸收电磁波，其频率给出时间标准。这个电磁波的频率叫做“跃迁频率”，就是这两个电子能量状态的能量差除以普朗克常数。频率是单位时间的振动次数，频率的倒数是振动的时间周期。  
     
    原子钟是目前最精确的时间和频率标准，用于标准时间的确定、卫星定位，等等。协调世界时 （UTC） 就是基于国际原子时 （IAT） ，而IAT来自国际上一些互相同步的原子钟所组成的网络，每天误差不超过10 9 秒 （即1纳秒） 。  
     
    1967年，国际度量衡大会用铯原子的最低能量态 （叫做“基态”） 的两个超精细能量差来定义秒。由于电子与原子核的磁相互作用，原本能量相同的量子态变得能量不一样，之间的差别叫做超精细能量差。著名的氢原子的21厘米线就对应它的超精细能量 （对应波长为21厘米，这个波长的电磁波叫做微波） 。  
     
    以前的原子钟基于常温下原子的微波激射 （微波的激光） 。但是后来，人们先用激光冷却，将原子温度降到接近绝对零度 （0 K） ，然后再在光腔中探测它们。温度或者其他因素引起电磁波谱线有点宽度，也就说频率有误差。这影响原子钟的精确度，所以要降低温度。多次测量并作平均也能进一步提高精度。激光冷却和俘获、高品质光腔、精确的激光光谱、光梳技术带来了原子钟技术的巨大进步。 
     
    频率误差不变的情况下，升高频率也降低相对误差。铯原子钟的跃迁频率是9   109Hz，相对精度是10-16    [15]   。而可见光频率大概是1014左右，因此光原子钟可以达到更低的相对精度。 
     
    实现光原子钟有两个途径。其中一个途径是基于单个离子的冷却和俘获。2019年，美国国家标准技术研究所 （NIST） 用铝离子实现了频率相对精度9.4 10-19的光原子钟   [16]   。 
     
    光原子钟的另一个途径是基于锶、镱等稀土原子。它们的可见光谱线特别窄，提供了稳定、精确的频率标准，比铯原子钟精确千倍。锶还有一个优点，它的原子钟和激光冷却所用的电子能级可以由半导体激光激发电子去占据。 
     
       [用光晶格上的一万个锶原子做成的光原子钟]    
     
    进一步提高精度的一个措施是用量子多粒子系统。对N个全同原子同时测量，使得噪声降低N1/2倍。  
     
    好几个研究组用锶的429 THz跃迁频率，这是可见光谱线，谱线宽度小于1Hz，而且通过光晶格上的大量原子来进一步提高精度   [17]   。 
     
    叶军是NIST与科罗拉多大学博尔德分校共建的联合实验室 （JILA） 的研究员。2017年，他的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中，实现光原子钟，原子的量子相干保持15秒，相对精度达到2.5   10-19   [17,18]   。这个误差相当于宇宙年龄误差100毫秒。 
     
    他们先将锶原子冷却到15 nK，然后将它们移到3维光晶格上。因为接近绝对零度 （0 K） ，这些原子处于能量最低状态，叫做“简并费米气体”，而且处于莫特绝缘体态，也就是说，每个格点位置上只有一个原子，从而避免了原子之间的相互作用 （否则会改变跃迁频率） 。对于不同格点上原子之间跃迁频率的微小差别 （来自不同格点处电磁波能量的微小差别） ，他们将超精确光谱学与空间成像技术结合起来，修正了这些差别 （图5） 。这是一项新技术。  
     
        图5 叶军研究组实验的示意图。不同格点上的原子的跃迁频率用钟代表。叶军研究组将超精确光谱学与空间成像技术结合起来，修正了这些差别[17,18]。  
    事实上，在此一年前，他们已经实现了3维光晶格上的锶原子的简并费米气体，频率相对精度达到5   10–19    [19]   。2017年的这个工作 （2018年发表） 将精度提高到原来的1.4倍   [17,18]   。 
     
    这么高的精确度，除了作为原子钟，也可以用来研究量子多体物理，还可以研究基础物理问题,比如基本物理常数是否随时间变化，暗物质探测，广义相对论验证，以及量子引力，也可应用到引力波探测，还有实际的应用，比如提高卫星定位的精度、通过测量重力加速度来进行地质勘探，等等。  
     
       [可移动的光晶格光原子钟]    
     
    但是，在某些应用上，需要解决一些问题，光原子钟才能挑战微波原子钟。比如国际原子时依赖于将各地的原子钟相比较，这是以卫星上的原子钟作中介，而目前卫星上的原子钟使用微波。因此地面上的光原子钟还只能以精度比它低的卫星上的微波原子钟为准。另外，还要考虑地球各处引力场的差异，因为对于10-18的精度，几个厘米的高度差就会体现出引力红移 （广义相对论效应） 。 
     
    因此体积小、可移动的光原子钟才可以在这些应用上取代铯原子钟   [15]   。将它们安装到卫星上，才可以提高国际原子时和卫星导航的精度。在地质测量和基础物理方面的应用也需用可移动的光原子钟。但是可移动性降低了精度，因为实验室里的光原子钟依赖于光学平台这样的笨重但稳定的设备。  
     
    最近，日本东京大学的香取秀俊与合作者搭建的两个可移动光原子钟 （图6） 的精度达到了5   10-18   [15,20]    。这个精度相比之前的可移动光原子钟，提高了1个数量级。它们在户外工作，用光纤联系。 
     
        
    对于光原子钟的两个途径来说，光晶格可以胜过单个离子，但是光晶格上的原子对于电场扰动更敏感，而产生光晶格的激光、附近的电荷，环境中的黑体辐射都可以产生电场扰动。 
     
    2003年，香取秀俊与合作者用锶原子搭建了第一个基于光晶格的光原子钟。在此基础上，他们加强了光原子钟的稳定性，不断提高精度，最近精度达到5 10-18。 
     
    而在最近的这项工作中   [20]   ，他们先将锶原子冷却到几微K，然后将它们放到环形光腔中的一个1维光晶格上。再用激光将俘获原子推到一个黑体辐射屏障中，这个屏障隔离了环境中的黑体辐射。在屏障中，原子完成最后的冷却。用于原子钟的激光尽量准确地调节到跃迁频率。越准确，发生跃迁的原子越多。通过测量激发原子的数目来确定原子钟精度。所有的操作可以通过个人电脑远程控制。  
     
    原子钟可用于测量广义相对论效应，也就是引力差异导致的时间差异，即引力红移。据此，目前的GPS卫星定位系统每天调整38皮秒 （1皮=10-12） 。 
     
    以光原子钟的高精度，可以检验广义相对论。广义相对论表明，引力引起的频率相对变化正比于引力势能的差异，比例系数就是光速平方的倒数。如果测量出来的比例系数偏离了光速平方的倒数，就代表对广义相对论的偏离。  
     
    香取秀俊与合作者在东京晴空塔，用他们的两个可移动的光原子钟测量了引力红移。他们特意选择了这个并不理想的地点 （附近的火车引起的振动较大） ，以显示设备的抗干扰能力。 
     
    他们将一个光原子钟放在塔下，另一个放在450米高处。根据两个光原子钟分别测量到的频率，辅以卫星和激光测量到的高度差，和重力仪在每处测量到的重力加速度，他们得到了比例系数与光速平方倒数的偏离。相对偏离是1.4 10-5。这是迄今对这个偏离的最好的地面测量，比之前的结果精确了1个数量级，接近相距数千公里的卫星的测量结果。  
     
    总结一下今年墨子量子奖获奖人的获奖贡献。Carton Caves阐明了干涉仪中的量子噪声，并提出利用压缩态来抑制。香取秀俊与合作者搭建了第一个基于光晶格上的锶原子的光原子钟，最近又搭建了可移动的这种光原子钟，精度度达到5   10-18，而且用来测量引力红移，检验了广义相对论。叶军与合作者用3维光晶格中的约1万个锶原子实现光原子钟，它们形成简并费米气体，原子的量子相干保持15秒，相对精度高达2.5   10-19。 
     
     参考文献：  
     [1] 2020年度墨子量子奖背景和获奖人介绍。  
     [2] 施郁，引力波的世纪追寻（二）：引力波及其首次探测，科学，2018，70（4）：15-19.  
     [3] Carlton M. Caves, Kip S. Thorne, Ronald W. P. Drever, Vernon D. Sandberg, and Mark Zimmermann, Rev. Mod. Phys. 52, 341 (1980).   
     [4] C. M. Caves, Phys. Rev. Lett. 45, 75 (1980).   
     [5] C. M. Caves, Phys. Rev. D 23, 1693 (1981).  
     [6] J. Abadie et al. (The LIGO Scientific Collaboration), Nat. Phys. 7, 962 (2011).   
     [7] H. Grote, et al., Phys. Rev. Lett. 110, 181101 (2013).  
     [8] J. Aasi et al., Nat. Photon. 7, 613 (2013).  
     [9] D. Castelvecchi, Nature 568, 4 April, 2019, p.16.   
     [10] M. Tse et al., Phys. Rev. Lett. 123, 231107 (2019) .  
     [11] F. Acernese et al. (Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 231108 (2019).   
     [12] Y．Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 124, 171101 (2020).  
     [13] L. McCuller et al., Phys. Rev. Lett. 124, 171102 (2020).  
     [14] LIGO官网，ligo.caltech.edu  
     [15] C. Middleton, Physics Today 73, 6, 20 (2020).  
     [16] S. M. Brewer et al., Phys. Rev. Lett. 123, 033201 (2019).   
     [17] M. Vengalattore, Physics, 11, 22 (2018).   
     [18] G. Edward Marti et al., Phys. Rev. Lett. 120, 103201 (2018).  
     [19] S. L. Campbell et al., Science 358, 90 (2017).  
     [20] M. Takamoto et al., Nat. Photonics (2020).  

2. 量子学重大成果让物理学家得以在宇宙更深处“看见”引力波

 图解：处女座天文台研究人员正在压缩光
   图源：H. Lück/B. Knispel/马克思·普朗克引力物理研究所
   物理学家们正在汇报一项测试的结果，该测试旨在压缩宇宙内的真空，以便更好地检测碰撞黑洞产生的
      。
    
   像两个黑洞或者两个超新星相互碰撞这样极端地外事件，可能会在太空中产生称为引力波的涟漪。在地球上，一个天文台试图使用激光来探测这些涟漪，但由于波的影响是如此微妙，即使是内置在真空中的随机性也会影响实验的灵敏度。但是通过几十年研究出的这种新方法已经使研究人员能够降低这种干扰并扩大引力波探测的范围。
      这项研究的人员之一，工作在LIGO的麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所首席研究员、科学家丽萨·巴索蒂（Lisa Barsotti）表示：“该方法能使我们扩大探测引力波的范围。”
    
      图解：引力波模型
   图源：T. Pyle/加州理工/麻省理工学院/激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室
   激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座引力波天文台依靠的是重叠激光束产生而干涉图样的原理。激光束进入光学元件，而后被分成两束，每束光分别沿着两条两公里长的管道到达镜面，然后被镜子反射并与光学元件重新结合。光（甚至是激光）会以波的形式传播，因此，当光束重新汇聚在一起时，它们会形成一个新的波。引力波通过时会稍微改变其中一个激光束的传播距离，当激光束彼此同相和异相传播时，激光束的签名会留在相应的最终波上。
      但是，在重新组合激光之后，它必须穿过机器真空内的量子涨落。量子力学的一个结论，即控制亚原子粒子如何相互作用的理论，它提出：在最小尺度上，能量存在大小浮动。这些波动为光粒子到达检测器的时间带来了一定程度的不确定性，这限制了检测器的灵敏度，因为很难看到引力波呈现的光相位的变化。现在，物理学家已经找到了一种在实验的最后一步引入“压缩真空态”的方法来抑制那些量子波动。
      量子力学的核心原理之一是海森堡不确定性原理，它提出：某些特定的属性对，例如粒子的位置、动量或能量、到达时间，无法同时被精确地测量。增加其中一个值的精度会降低另一个值的精度，反之亦然。压缩是一种提高物理学家更感兴趣的值的精度（并降低噪声）的方法，而这却以牺牲其他值的精度为代价。
      图解：黑线显示给定频率下的噪声量，没有压缩；绿色显示了压缩的效果——噪音更少
   图源：LIGO
   噪声抑制机制的主力军是一种具有可调光学特性的特殊晶体。晶体将穿过它的激光束与真空的能量波动联系起来，从而使研究人员可以建立一个新的领域，在该领域中，他们已经将他们更感兴趣的特性（相位）的噪声转移到了他们不那么感兴趣的特性（幅度）上。他们将这些光传回干涉仪的输出端，在那里用新的压缩场代替了嘈杂的真空，这样最终激光输出时相位的噪音更小，而幅度的噪音较大。为了减少晶体本身带有的杂散光产生的噪声，挤压器的核心组件位于LIGO真空装置内。研究人员在《物理评论快报》上发表的论文中报道了这种方法成功应用在今天的LIGO和处女座引力波天文台的探测器中的消息。
    
   这太重要了。澳大利亚国立大学物理学教授平高林（Ping Koy Lam）并未参与这项研究，但他致力于引力波探测器压缩时空的实验，他在电子邮件中告诉天文在线：“这项成果很好地证明了量子技术如何增强精密仪器并突破科学的界限。”
   天下没有免费的午餐——振幅噪声出现在其他地方，从而导致低频引力波的不确定性略有增加。麻省理工学院天体物理学教授纳尔吉斯·马瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）告诉天文在线，未来，物理学家希望减小低频引力波的振幅，增大高频引力波的相位。
   LIGO和处女座引力波天文台现在通过这种压缩的方法来提高灵敏度，继续从碰撞的黑洞中寻找引力波。但是对于论文的主要作者，研究生玛格谢（Maggie Tse）来说，最令人兴奋的事情之一是看到原本难以理解、难以测量的量子物理学世界经常出现在现实生活中。她告诉天文在线：“将令人捉摸不透的量子态转变为有形的东西，这太神奇了。”
   作者:  Ryan F. Mandelbaum 
   FY: 舞马
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3. 量子技术取得成果，引力波可以被看见

 
   图解：处女座天文台研究人员正在压缩光
   图源：H. Lück/B. Knispel/马克思·普朗克引力物理研究所
   物理学家们正在汇报一项测试的结果，该测试旨在压缩宇宙内的真空，以便更好地检测碰撞黑洞产生的
   
   。
    
   像两个黑洞或者两个超新星相互碰撞这样极端地外事件，可能会在太空中产生称为引力波的涟漪。在地球上，一个天文台试图使用激光来探测这些涟漪，但由于波的影响是如此微妙，即使是内置在真空中的随机性也会影响实验的灵敏度。但是通过几十年研究出的这种新方法已经使研究人员能够降低这种干扰并扩大引力波探测的范围。
   
   这项研究的人员之一，工作在LIGO的麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所首席研究员、科学家丽萨·巴索蒂（Lisa Barsotti）表示：“该方法能使我们扩大探测引力波的范围。”
    
   
   图解：引力波模型
   图源：T. Pyle/加州理工/麻省理工学院/激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室
   激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座引力波天文台依靠的是重叠激光束产生而干涉图样的原理。激光束进入光学元件，而后被分成两束，每束光分别沿着两条两公里长的管道到达镜面，然后被镜子反射并与光学元件重新结合。光（甚至是激光）会以波的形式传播，因此，当光束重新汇聚在一起时，它们会形成一个新的波。引力波通过时会稍微改变其中一个激光束的传播距离，当激光束彼此同相和异相传播时，激光束的签名会留在相应的最终波上。
   
   但是，在重新组合激光之后，它必须穿过机器真空内的量子涨落。量子力学的一个结论，即控制亚原子粒子如何相互作用的理论，它提出：在最小尺度上，能量存在大小浮动。这些波动为光粒子到达检测器的时间带来了一定程度的不确定性，这限制了检测器的灵敏度，因为很难看到引力波呈现的光相位的变化。现在，物理学家已经找到了一种在实验的最后一步引入“压缩真空态”的方法来抑制那些量子波动。
   
   量子力学的核心原理之一是海森堡不确定性原理，它提出：某些特定的属性对，例如粒子的位置、动量或能量、到达时间，无法同时被精确地测量。增加其中一个值的精度会降低另一个值的精度，反之亦然。压缩是一种提高物理学家更感兴趣的值的精度（并降低噪声）的方法，而这却以牺牲其他值的精度为代价。
   
   图解：黑线显示给定频率下的噪声量，没有压缩；绿色显示了压缩的效果——噪音更少
   图源：LIGO
   噪声抑制机制的主力军是一种具有可调光学特性的特殊晶体。晶体将穿过它的激光束与真空的能量波动联系起来，从而使研究人员可以建立一个新的领域，在该领域中，他们已经将他们更感兴趣的特性（相位）的噪声转移到了他们不那么感兴趣的特性（幅度）上。他们将这些光传回干涉仪的输出端，在那里用新的压缩场代替了嘈杂的真空，这样最终激光输出时相位的噪音更小，而幅度的噪音较大。为了减少晶体本身带有的杂散光产生的噪声，挤压器的核心组件位于LIGO真空装置内。研究人员在《物理评论快报》上发表的论文中报道了这种方法成功应用在今天的LIGO和处女座引力波天文台的探测器中的消息。
    
   这太重要了。澳大利亚国立大学物理学教授平高林（Ping Koy Lam）并未参与这项研究，但他致力于引力波探测器压缩时空的实验，他在电子邮件中告诉天文在线：“这项成果很好地证明了量子技术如何增强精密仪器并突破科学的界限。”
   天下没有免费的午餐——振幅噪声出现在其他地方，从而导致低频引力波的不确定性略有增加。麻省理工学院天体物理学教授纳尔吉斯·马瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）告诉天文在线，未来，物理学家希望减小低频引力波的振幅，增大高频引力波的相位。
   LIGO和处女座引力波天文台现在通过这种压缩的方法来提高灵敏度，继续从碰撞的黑洞中寻找引力波。但是对于论文的主要作者，研究生玛格谢（Maggie Tse）来说，最令人兴奋的事情之一是看到原本难以理解、难以测量的量子物理学世界经常出现在现实生活中。她告诉天文在线：“将令人捉摸不透的量子态转变为有形的东西，这太神奇了。”
   作者:  Ryan F. Mandelbaum 
   FY: 舞马
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4. 想看到量子效应吗？用纳米粒子的量子光学冷却吧！

当一个粒子完全脱离它的环境时，量子物理定律就开始起着至关重要的作用。要看到量子效应，一个重要的要求是把粒子运动中的所有热能去除，也就是说，把它冷却到尽可能接近绝对零度的温度。
  
 
  
 维也纳大学(University of Vienna)、奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences)和麻省理工学院(MIT)的研究人员现在通过展示一种冷却悬浮纳米粒子的新方法，离实现这一目标又近了一步，其研究结果发表在著名的《物理评论快报》上。紧密聚焦的激光束可以充当光学“镊子”，捕捉和操纵微小物体，从玻璃粒子到活细胞。
  
 
  
 博科园-科学科普：这种方法的发展使阿瑟·阿什金获得了去年诺贝尔物理学奖。虽然迄今为止大多数实验都是在空气或液体中进行，但人们对使用光学镊子在超高真空中捕捉物体的兴趣越来越大：这种孤立的粒子不仅表现出前所未有的传感性能，而且还可以用于研究纳米尺度热机的基本过程，或涉及大质量的量子现象。在这些研究工作中，一个关键因素是获得对粒子运动的完全控制，在量子物理定律支配其行为的理想状态下。之前的尝试，要么调整光镊本身，要么将粒子浸入高反射镜结构之间的额外光场中，即光学腔。然而，激光噪声和较大的激光强度要求对这些方法构成了很大限制。
  
 
  
 维也纳大学、奥地利科学院和麻省理工学院(MIT)的研究人员最近在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一项研究，该研究的主要作者乌罗斯•德里克(Uros Delic)表示：新冷却方案直接借鉴了原子物理学领域，那里存在着量子控制方面的类似挑战。这一想法可以追溯到因斯布鲁克物理学家赫尔穆特•里施(Helmut Ritsch)以及美国物理学家弗拉丹•乌尔蒂奇(Vladan Vuletic)和史蒂夫•楚(Steve Chu)的早期研究。他们发现，如果粒子被保存在一个最初是空的光学腔内，利用光镊本身直接散射的光就足够了。光镊中的纳米粒子将光镊的一小部分向几乎所有方向散射。
  
 
  
 如果粒子被放置在光学腔内，部分散射光可以存储在其反射镜之间。因此，光子被优先地散射到光腔中。然而，这只可能是特定颜色的光，或者换句话说，特定光子能量。如果我们使用一种颜色的镊子光，它对应光子能量比所需的稍小，纳米粒子将“牺牲”一些动能，使光子散射到光学腔中。动能的损失有效地冷却了它的运动。这项研究的合著者之一弗拉丹·武尔提克(Vladan Vuletic)以前曾对原子演示过这种方法。然而，这是它第一次被应用到纳米粒子上，并用于冷却所有三个方向的运动。冷却方法比之前演示的所有方案都要强大得多，如果不受激光噪声和激光功率的限制，悬浮纳米粒子的量子行为将很快出现。
  
 
  
 博科园-科学科普｜研究/来自: 维也纳大学
  
 参考期刊文献:《物理评论快报》
  
 DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.123602
  
 博科园-传递宇宙科学之美

5. 光子再现新特性，或可解开量子物理学诸多谜团

一提到“光”，世人再熟悉不过了，可以说我们每天，不，应该说是每时每刻都在与“光”打交道。正因为有“光”的存在，我们才能看到多姿多彩的世界；正因为有“光”的存在，地球上的生命才能世代繁衍；也正因为有光的存在，我们才能 探索 宇宙， 探索 科学。 
  
  寻常中隐藏着非凡，万事万物皆非偶然。既然光与我们人类的生活如此的密不可分，与宇宙万物都存在着一定的联系，甚至是整个可视宇宙的支撑框架，那么研究“光”就非常有必要了，说不定光就是宇宙万物存在的根本，构成宇宙万物的终极单元。 
  
  我们且不去追寻“光”为什么会存在，因为这就像动画里的卡通人物，突然意识到它们为什么会存在一样，估计很难探究出个所以然来。但我们可以去研究已经存在并对我们如此重要的光的性质，去挖寻隐藏在“光”里的“宝藏”，也许它可以改变我们的整个世界。 
  
  如果问，光具有什么特性？也许大多数人能说出来以下几种： 
  
  光在均匀介质里以直线传播，光具有反射、折射、散射、干涉、衍射现象，光遵守光学的反射、折射定律，两束光在传播过程中相遇彼此不受干扰，光具有波粒二象性，光具有光电效应、光化学效应、声光效应现象，光速为宇宙中最快速度等。 
     
  如果追问：光是否还存在有其他特性？估计很多人会摇头或沉默了。接下来我们要探讨分析的就是科学界目前一直在争论、难以确定下来的光的另外三个不被常人所知道的特性。 探索 科学， 探索 宇宙，水木长龙与您继续我们的 探索 之旅。 
  
  该性质主要源于杨氏双缝干涉实验的延伸实验——单粒子双缝干涉实验——的推测。 
  
  一束光通过两狭缝可以在屏幕上形成干涉条纹，如果换成一个一个光子向两狭缝发射的话，屏幕上又会形成什么样的图案呢？ 
  
  也许会有人说，那一定不会再形成什么干涉条纹了，因为单个光子不可能与自身发生干涉吧？！ 
  
  然而实验结果却是出人意料的。随着一个个光子不断地发射出去（每次都等前面发射的光子落到屏幕上后才开始发射下一个光子），刚开始屏幕上不断出现的光子点似乎是毫无规律的一片散沙。然而随着不断增多的光子点的出现，渐渐地屏幕上开始呈现出有规律的干涉条纹出来。随着光子点的继续增多，屏幕上明暗相间的干涉条纹也变得越来越清晰。 
     
  实验结果令科学家不敢相信自己的眼睛：单个光子也能形成干涉条纹？难不成光子还会自己跟自己发生干涉？果真如此的话，它是怎么做到的呢？ 
  
  科学家百思不得其解。最后有研究者给出了一个大胆的推测，认为，只有光子具有“无时性”，才能做到如此。 
  
  研究者对“光子无时性”推理的解释是： 
  
  假设对光子本身而言，并不存在时间效应，即并不受时间的约束的话，那么就等于光子可以在任一时刻（相对于我们现实中的时间而言）出现在宇宙的任何地方（光子的无时性同时也让距离失效了，即对光子而言，不存在距离感，也就是说“时空”对光子而言已经失去作用）。在同一时刻，能够出现在宇宙的任何地方，对于我们而言，也就意味着光子具有“分身术”。换句话说也就是，即使一个光子，在任何一个时间点（相对我们的时间而言），它都可以同时出现在宇宙中的每一个地方（顺便思考一下：如果该推理被检验正确，那么有没有这种可能——我们的整个宇宙实则只存在一个光子？）。 
     
  所以，由于光子具有“无时性”，无视时间的存在，可以同时出现在任何地方，所以在单粒子双缝干涉实验中，即使一个一个地向双缝发射光子，光子通过与自己的“分身”发生作用，照样可以在屏幕上形成相应的干涉条纹。 
  
  我们还是以单粒子双缝干涉实验中所遇到的某种奇异现象来探讨分析。 
  
  在单粒子双缝干涉实验中，当科学家发现，单个粒子的发射也能在屏幕上形成干涉条纹时，刚开始令几乎所有的物理学家都感到惊奇。于是他们就想弄清楚光子到底是怎么穿过狭缝并自己与自己发生干涉的。 
  
  他们首先是戴上特殊眼镜通过镜片的闪光，来判断单个光子的发射每次到底通过哪个狭缝。然后，令他们意想不到的是，当他们盯着狭缝想要看看光子是怎么个穿越法时，却发现，一旦他们想弄清楚光子的穿越路径时，屏幕上最终只能形成杂乱无章的图案，而不能形成干涉条纹。 
  
  于是，哥本哈根派的学者们争相研究，都想弄清楚光子的这种奇异特性。于是态叠加原理，不确定性原理，薛定谔的猫，波函数坍缩，纷纷登场。 
  
  哥本哈根的解释是这样的： 
  
  光子在未被观察测量时，穿过两个狭缝的状态处于叠加态，即两个狭缝都有50%的概率被光子穿过，所以在屏幕上可以观察到干涉条纹。但是，一旦被观测了，光子的叠加态就消失了，即其波函数坍缩成了一种确定的状态，所以屏幕上只能看到杂乱无章的光子点。 
     
  可是，哥本哈根派的解释太笼统应付了，避开了主要的现象——为什么一观察光子的行为，就会导致叠加态消失，波函数坍缩呢？知其然不知其所以然，这怎么行呢？于是有研究者另辟新径，想从光子本身出发看能不能发现什么隐藏的端倪。 
  
  没过多久，光子的一种新特性——光子的隐秘特性——便被提了出来。持此观点的研究者们给出的解释是： 
  
  光子的实际传播路径遵循的是“整体队形法则”。每个光子在传播过程中都极力维持队形的完整性，即使个别光子在传播过程中不慎被障碍物吸收掉了，其余光子也会立马改变原先的传播方式，调整自己的行为规则，从而维持原先队形的不变性。正因此，我们才能看到光在传播过程中呈现出来的波动特性。但是，每个光子的具体传播行为却是隐秘的，即不容被窥视或探测，否则一旦一个光子的隐秘行为被观测窥视了，其余光子会为了替一个成员守秘而全部打乱“整体队形”（不得不承认，它们是宇宙中最有集体意识的一族）。 
     
  光子B：兄弟们，注意了，有人正在探测我的行为方式。 
  
  光子C：什么？还有人对我们单个光子感兴趣？ 
  
  光子D：人类越来越聪明了，我们还是小心为妙。 
  
  光子A：老四说得没错，我们的行为方式是不能被探测到的，否则就是对宇宙失职。弟兄们，听我号令，无规则队伍变形启动！ 
  
  众光子立马从有规则的队形变成了一盘散沙。 
  
  我们仍然以单粒子双缝干涉实验中所遇到的奇异现象来探讨分析。 
  
  当科学家发现，观察者的意识很可能是影响干涉条纹消失的原因时，便又想到了一种新的探测法。 
  
  既然对光子行为路径进行观察时，人的思想意识可能会影响到光子的路径选择，那么用没有意识的物体来记录探测不就可以了吗？于是，科学家想出了一个招，把一个记录仪放到双缝附近专门用来记录光子的路径选择。可是，令科学家困惑的是，即使是无思想意识的记录仪对光子进行观察，也会影响到屏幕干涉条纹的消失。这又是怎么回事呢？ 
  
  有研究者给出的解释是，是记录仪装置本身发出的电磁场干扰了整个实验系统，才会导致光子退相干的发生。 
  
  既然如此，那就换个干扰可以忽略不计的记录方式不就行了吗？可是，无论科学家采取什么记录方式，哪怕在离实验设置很远的地方观察，仍然会影响到实验本身，导致屏幕无法形成干涉条纹。但是，只要不对光子进行观测，屏幕上就会形成干涉条纹。 
     
  难道光子能够预测人的意图？ 
  
  于是，便有研究者推测出了光子的第三种新特性——光子的预测性。 
  
  对于放记录仪或者其他干扰影响可以忽略不计的记录设备仍然会导致干涉条纹无法形成的原因，研究者是这样解释的： 
  
  因为光子具有“无时特性”，所以时间对光子形如虚设，光子可以在过去，现在，未来之间任意穿梭，而且时间为0。也就是说，单个光子不但每时每刻能出现在宇宙的任何地方，也可以出现在任何时间。正因为光子可以出现在无论过去，现在，还是未来的任意时间点，所以对于光子来说，等于是可以提前预测未来即将发生的事件。也就是说，光子已经预测到了人会从记录下来的光子行为路径去观察研究，这与实际双眼直接盯着光子看会选择哪一个狭缝本质上并没有什么区别。所以，根据光子的“隐秘特性”，当然不会让人真正观察到它们的行为方式，也就不可能看到屏幕上的干涉条纹。 
  
  今天的分享就到这里，感谢对水木的支持。