用于引力波天文台的量子扩展器

引力波探测器使用存储在光学腔中的超稳定激光来获得高灵敏度，以检测来自双黑洞合并和中子星合并的引力波信号。但是，光学腔会限制探测器对这些信号敏感的频率范围。现在，来自德国和美国的科学家发明了一种量子扩展的新技术，该技术将允许增加探测器的灵敏度范围，从而为研究物质量子态提供新的物理途径。他们的研究成果最近发表在《光：科学与应用》杂志上。

 

利用存储在长达4公里的光学谐振器中的超稳定激光，人们首次可以观测到来自双黑洞和中子星吸气的引力波信号。然而，由于光学谐振器系统的带宽相当低，因此无法解决科学上非常有趣的，频率在几百赫兹以上的合并后信号。这样的信息将使人们更加了解中子星物理学，从而为研究超稠密量子物质，并找到引力和量子物理之间缺失的联系成为可能。

 

近日，德国汉堡大学Mikhail Korobko 硕士和Roman Schnabel教授以及加州理工学院Yiqiu Ma博士和Yanbei Chen教授合作提出了一种新颖的全光学方法，这种方法可以将引力波探测的带宽提高到千赫兹频率。他们所称的“量子扩展器”充分利用了光学谐振器系统内部激光的压缩量子不确定性优势。 事实上，自2019年4月以来，所有的引力波观测站已经开始常规的使用激光的压缩量子不确定性优势了，但是这种优势还未被加入谐振器系统当中。他们提出的这种新的方法在不降低当今低频性能的前提下，将专门改善千赫兹频率的信噪比。

 

研究者们提出放一个非线性晶体在所谓的信号循环腔内，这种腔是当今引力波天文台的子系统。同时利用一种绿色激光来泵浦该晶体，该绿色激光的波长是天文台使用的主激光波长的一半。泵浦光和主激光的相互作用将导致主激光的量子涨落出现压缩不确定性。当控制信号循环腔的长度保持为激光波长的非整数倍时，除了从外部注入的压缩外，激光的高频量子涨落还会被压缩。

 

新发明的“量子扩展器”与先前发明的量子噪声抑制技术完全兼容。其本质上是稳定的，不需要对天文台总体结构做任何重大的修改。它真正需要的是进一步改善光学组件的质量来进一步减少光子损失。“量子扩展器”可能会在引力波探测之外的领域，比如量子测量和量子光力学领域中找到应用。

 

 

图1 量子扩展器概念

 

图片描述了用于引力波探测的量子扩展器概念。a) 来自宇宙合并事件的引力波使探测器的反射镜移位，这个信号在光电二极管（PD）上被读出。探测器腔内的非线性晶体(2)压缩了激光的量子不确定性，并提高了探测器的灵敏度。b) 量子扩展器依赖于非线性晶体中的参数过程，以及探测器中耦合光腔共振之间的相互作用。c) 非线性晶体将量子不确定性压缩到真空水平以下，从而减少读数中量子噪声。耦合腔结构允许在高频下达到最大的压缩，而不会干扰低频灵敏度。d) 来自中子星合并的引力波应变幅度（浅蓝色迹线）被嵌入量子噪声中。由于光学腔信号在高频处丢失，从而掩盖了新形成物体合并后的振荡（黄色迹线）。量子扩展器可以解析在高频处的信号，并且读出关于已形成物体（蓝色迹线）中量子物质特性的重要信息。因此，引力波探测的检测带宽被扩展。（来源：科学网）