2015年9月，位于美國的激光干涉重力波觀測儀（LIGO）首次探測到引力波，驗(yàn)證了愛因斯坦提出的“百年猜想”，人類天文學(xué)開啟了“引力波時(shí)代”。

　　日前，來自麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、澳大利亞國立大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《物理評論快報(bào)》撰文披露，他們?yōu)長IGO安裝了名為“量子真空壓縮器”的神秘武器，使其探測能力顯著提升。據(jù)麻省理工學(xué)院官方報(bào)道，今年4月以來，在該設(shè)備的“加成”下，LIGO已經(jīng)數(shù)十次捕獲引力波信號。

　　量子噪聲干擾LIGO測量

　　LIGO使用“L”型的探測器來感知引力波。每個(gè)探測器由兩個(gè)2.5英里（約4公里）長、相互垂直的“長臂”——真空管組成。光源發(fā)射一束激光，經(jīng)過分光鏡后分成兩半，各自進(jìn)入一條長臂，并通過其末端的反射鏡反射后原路返回。

　　根據(jù)激光干涉原理，這兩束同時(shí)返回的激光將相互抵消，探測器接收不到信號。但當(dāng)引力波撞擊地球時(shí)，它會(huì)扭曲時(shí)空——短暫地使LIGO“一條胳膊長、一條胳膊短”，這種有節(jié)奏的拉伸和擠壓變形一直持續(xù)到引力波通過為止。此時(shí)，兩束激光無法同時(shí)返回，不會(huì)相互抵消，探測器將接收到返回的閃光信號。

　　但是，“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。正如麻省理工學(xué)院研究生、論文主要作者瑪吉·謝所說，激光并非連續(xù)的光流，而是由單個(gè)光子組成的嘈雜列隊(duì)，每個(gè)光子都受到真空波動(dòng)的影響。光子平均“準(zhǔn)時(shí)”到達(dá)探測器，但有些很早，有些很晚，形成一條有一定寬度的“鐘形曲線”。

　　當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，LIGO手臂的長度變化不到質(zhì)子寬度的萬分之一。探測系統(tǒng)要足夠敏感才能準(zhǔn)確測量激光信號，這導(dǎo)致部分未準(zhǔn)時(shí)到達(dá)的光子也會(huì)造成閃光，產(chǎn)生假的引力波信號，這就是所謂的“量子噪聲”。

　　為了避免“報(bào)假警”，LIGO設(shè)定只有手臂長度變化超出量子噪聲范圍才判斷為引力波到來，這無疑限制了它對距離更遠(yuǎn)、強(qiáng)度更弱的引力波探測。

　　量子壓縮減小量子噪聲

　　量子壓縮是20世紀(jì)80年代提出的概念，其基本思想是量子真空噪聲可以表示為沿相位和振幅兩個(gè)主軸的不確定性球。這個(gè)球體就像一個(gè)應(yīng)力球，可以被壓縮。假如沿相位軸收縮球體，相位狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)時(shí)間的不確定性將減小，但振幅狀態(tài)的不確定性，也就是光子到達(dá)數(shù)量的不確定性將增加。

　　由于時(shí)間不確定性是LIGO量子噪聲的主要影響因素，所以，沿相位方向壓縮可以使探測器對引力波更加敏感。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)從15年前就開始設(shè)計(jì)“量子真空壓縮器”，以揭示更微弱、更遙遠(yuǎn)的引力波信號。2010年，早期的壓縮器在位于漢福德的探測器上進(jìn)行測試，取得了一定的效果。

　　之后，研究人員逐步改進(jìn)“量子真空壓縮器”。其核心是一個(gè)光學(xué)參量振蕩器，它是一個(gè)蝴蝶結(jié)形狀的裝置，中心是一小塊晶體，四周由反射鏡包圍。激光通過晶體原子時(shí)，其光子的振幅和相位將重新排列，以達(dá)到“壓縮”真空，減小光子到達(dá)時(shí)間波動(dòng)的目的。

　　安裝“量子真空壓縮器”后，LIGO的探測距離延長15%、超過4億光年，引力波的發(fā)現(xiàn)速度有望提高50%，達(dá)到每周都可能發(fā)現(xiàn)新引力波的階段。LIGO的“同事”、位于意大利的“處女座”（Virgo）引力波探測器也已經(jīng)安裝類似設(shè)備，探測距離提高5%—8%，引力波發(fā)現(xiàn)速度增加16%—26%。此外，壓縮器有助于精確定位引力波源的位置，方便天文學(xué)家進(jìn)行后續(xù)觀測。

　　麻省理工學(xué)院卡弗里天體物理學(xué)與空間研究所首席科學(xué)家麗莎·巴索蒂透露，由于此次改進(jìn)，LIGO的下一次升級可以將引力波探測速度提高5倍以上。