量子压缩提高了LIGO对量子噪声的灵敏度

一种称为量子真空压缩器的新仪器正在帮助LIGO（激光干涉仪重力波天文台）几乎每周检测一次重力波信号。就在一年前，LIGO每月大约接收一次引力波。LIGO包括两个相同的探测器，一个位于华盛顿州汉福德，另一个位于洛杉矶利文斯顿。压缩器是由MIT，加州理工学院和澳大利亚国立大学（ANU）的国际研究团队设计，制造并与LIGO探测器集成的。它抑制了可渗入LIGO检测器的量子噪声，将检测器的范围扩大了约15％。加上LIGO激光功率的增加，这意味着探测器可以拾取宇宙中一个源产生的引力波，其引力波可达140兆帕秒，或超过4亿光年。

为了检测引力波，科学家向L形检测器的每个臂发送激光束。每个臂的末端是一面镜子。每束光从其各自的反射镜反射回来，并向后沿臂传播。为了识别引力波信号，科学家们测量了光束从臂上返回到起点所花费的时间。如果引力波通过检测器，它应该移动一个或两个反射镜的位置，这反过来又会影响每个激光束回到原点的时间。

研究人员在LIGO的一个引力波探测器中安装了一种新的量子压缩装置。

LIGO检测到的信号是如此之小，以至于量子涨落可能会混淆或完全掩盖引力波的传入信号。“ LIGO的激光器是由光子制成的，”研究员Maggie Tse说。“如果不看得足够近，它就不是连续的激光束，实际上是单个光子的嘈杂信号，每个光子都受真空波动的影响。连续的光流会在检测器中产生恒定的嗡嗡声，而各个光子则以一个小的“爆裂声”到达检测器。” Nergis Mavalvala教授描述了这种量子噪声“，就像背景中的爆米花爆裂声一样。干涉仪很难测量。”

最早在1980年代提出的量子压缩理论提出了这样一种思想，即量子真空噪声可以表示为沿两个轴（相位和振幅）的不确定性范围。例如，如果以沿振幅轴收缩的方式挤压球体，这将缩小真空（收缩部分）振幅状态中的不确定性，同时增加相态（膨胀部分）中的不确定性。

量子压缩器的特写镜头，将LIGO的预期检测范围扩大了50％。

LIGO压缩器的核心是一个光学参量振荡器，它是一个领结形的装置，可以将晶体保持在镜子的结构中。当研究人员将激光束射向晶体时，晶体的原子以重新排列其相位与振幅特性的方式促进激光与量子真空之间的相互作用，从而产生了一个新的“压缩”真空，然后该真空继续向下传播。与普通真空相比，这种压缩真空具有较小的相位波动，从而使科学家可以更好地检测引力波。当LIGO试图检测更远、更微弱的信号时，量子噪声已成为更多的限制因素。研究员Lisa Barsotti说：“我们进行的测量非常敏感，以至于量子真空至关重要。”除了提高LIGO探测引力波的能力外，新的量子压缩器还可以帮助科学家更好地提取有关产生引力波的信息。