尋找時空中的引力波：科學家控制量子運動至量子基態

2015年09月07日 09:26
來源：鳳凰探索

鳳凰科技訊 北京時間9月7日消息，據英國每日郵報報道，時空織布里的漣漪或可以揭示宇宙在140億年前是如何產生的，然而尋找這些名為「引力波」的漣漪卻一直難以捉摸。現在美國科學家們聲稱他們發現了改善用於檢測宇宙大爆炸的引力波的探測器的方法。



宇宙大爆炸殘留的引力波

美國加州理工學院的研究人員表示他們發現了在一個相對大的物體里觀察和控制某種名為「量子運動」的方法。在量子力學里，主導物質和光行為的原則發生在原子規模，沒有完全處於休息狀態的。「在過去幾年裡，我的研究小組和全世界其它幾個科研小組了解了如何冷卻微米級別物體的運動，從而在底部產生這種狀態，或者稱為量子基態。」加州理工學院應用物理學教授基思•施萬布(Keith Schwab)這樣說道。



量子基態

「但是我們知道，即使在量子基態，在零度的溫度下，仍會產生微小的波動，或者雜訊。」 理論上來說量子運動或者雜訊是所有物體運動的內在部分，它可以擺脫用於測量引力波的敏感探測器。施萬布和他的同事設計了一款設備，使得他們可以觀察到這個雜訊並操控它。

這個微米級別的設備是由一個位於硅表面上方的靈活鋁盤組成的。這個鋁盤被偶聯到一個超導電路，後者每秒振動350萬次。根據經典力學定律，如果被冷卻到基態，振動結構最終將達到完全的停止狀態。但是當施萬布和他的同事在實驗里將彈簧冷卻到基態時，他們所觀察到的結果卻並非如此：他們發現參與的能量-量子噪音仍然存在。



能量-量子噪音仍然存在

「這個能量是自然量子描述的一部分，你無法剔除它。」 施萬布說道。「我們都知道量子力學精確的揭示了電子的行為為何如此怪異。在這裡，我們將量子力學應用到相對大的東西上，也就是一個你可以在光學顯微鏡下看到的設備，然後我們在幾萬億個原子里觀察到這個量子效應。」

然後，研究人員發明了一種方法操控內在的量子雜訊，結果發現可以將它周期性的減少。「描述雜訊或者運動有兩個主要的變數，」 施萬布解釋道。「我們的研究展示了我們其實可以讓其中一個變數的波動變得更小——代價是讓另一個變數的量子波動變得更大。這就是所謂的量子壓縮態，我們在一個方面壓縮雜訊，但是這種壓縮導致雜訊在其它地方噴射出來。但只要這些更多雜訊的地方不是你需要進行測量的地方，那就無所謂。」

控制量子雜訊的能力或將有一天被用於提高非常敏感的測量的精確度，例如在雷射干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, 簡稱LIGO)進行的測量。它被由加州理工學院和麻省理工學院帶領的研究項目用於搜尋時空織布里的漣漪引力波。


「我們一直在思考使用這些方法檢測脈衝星發出的引力波，脈衝星是異常密集的恆星，它的質量與太陽相當，但卻被壓縮成半徑只有10千米，每秒旋轉10至100次。在二十世紀七十年代，加州理工學院的物理學家基普•索恩（Kip Thorne）等人在發表的文章中表示，這些脈衝星應該以近周期性的頻率發射引力波，」 施萬布說道。「所以我們一直在思考如何將這些這些方法應用在小規模物體上，以減少探測器里的量子雜訊，從而增加接收這些引力波的敏感性。」

為了實現這一點，目前的設備必須被放大。「我們的工作旨在檢測越來越大規模的量子力學，有朝一日，我們希望這將最終開始檢測到某些大至引力波的龐然大物。」這項研究被發表在期刊《科學》上。（編譯/嚴炎劉星）