海森堡測不準原理指出，物體的位置不能無限精確地知道，因為物體動量是完全不確定的。這種動量不確定性隨後導致未來測量中的位置不確定性。當連續測量物體的位置時，這種被稱為反向作用的量子效應限制了可達到的精度。在干涉儀型引力波探測器中，這種反向作用效應表現為量子輻射壓力噪聲(QRPN)，並將最終(但還沒有)限制靈敏度。在本研究中提出了使用量子工程光態來直接操縱系統中的量子反作用。
在系統中它在10-50 kHz範圍內占主導地位，觀察到量子反作用噪聲降低了1.2 dB。這一實驗是實現未來干涉型引力波探測器QRPN降低和提高靈敏度的關鍵一步。本研究的澳大利亞國立大學的科學家們找到了一種，更好地探測宇宙中所有恆星質量黑洞碰撞的方法。恆星質量黑洞是由恆星的引力塌陷形成，它們的碰撞是宇宙中最劇烈的事件之一，能在時空中產生引力波（時空的漣漪）。這些時空的漣漪很小，要使用激光干涉儀才能檢測到。到目前為止，許多信號會被激光上所謂的量子噪聲所淹沒（推著激光干涉儀的鏡面）使測量變得模糊或不精確。
該新方法被稱為“擠壓”，抑制量子噪聲，使測量更加精確，其研究結果發表在《自然光子學》上，這一突破將對下一代探測器至關重要，這些探測器預計將在未來20年內上線。參與其中的研究人員之一羅伯特·沃德博士(Dr.Robert Ward)表示：正在準備進一步的實驗，以確認該團隊對一種新設備的概念證明，這種新設備可以抑制量子噪聲的影響。來自ANU物理研究學院和ARC引力波發現卓越中心(OzGrav)的Ward博士說：探測器使用被稱為來自激光束的光子，來感應相隔很遠的鏡子的位置變化。
然而，探測器非常敏感，光是光子數量的隨機量子變化就能干擾反射鏡，足以掩蓋引力波引起的運動。研究人員已經表明，擠壓降低了這種變異性，使探測器更靈敏。先進激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測器和歐洲引力天文臺在意大利的探測器Virgo探測到了兩個黑洞合併，兩顆中子星的碰撞，可能還有吞噬一顆中子星的黑洞。ANU在澳大利亞與LIGO的夥伴關係中起著主導作用，量子壓縮器團隊的其他成員包括David McClelland教授、博士學者Min Jet Yap和Bram Slagmolen博士。
Slagmolen博士表示：我們ANU設計的‘量子壓縮器’，以及對現有LIGO探測器的其他升級，已經極大地提高了它們的傳感能力。最新的實驗證明，科學家可以抵消其他量子噪聲，這些噪聲會影響探測器的傳感能力。新一代LIGO探測器將有能力在任何給定時刻探測宇宙中的每一個黑洞碰撞。LIGO團隊計劃在未來幾年內設計和製造升級的量子壓縮器，新的裝置可以改裝到目前的LIGO探測器上，使科學家能夠探測到更遠宇宙中更多的碰撞事件。
博科園｜研究/來自：澳大利亞國立大學
參考期刊《自然光子學》
DOI: 10.1038/s41566-019-0527-y
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