超越量子極限　LIGO取得里程碑式成果

編譯／高晟鈞

2015年，雷射干涉重力波天文台（LIGO）首次直接探測一對黑洞碰撞所產生的時空漣漪與重力波。LIGO的成功，歸功於其可以在比人類頭髮小1兆倍尺度下測量時空結構變化的能力。

「當NSF在20世紀90年代末首次投資建造LIGO探測器時，我們對觀測重力波充滿了熱情。這些研究將激發新技術的開發與設計，包括量子電腦和其他微觀電子學的未來技術領域。」研究團隊肯定道。

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量子「壓縮」技術

根據量子物理定律，在非常微小的亞原子尺度上，包括電子在內的粒子會隨機進出真空環境，產生量子雜訊（背景雜音），並造成LIGO的測量誤差。量子壓縮一詞起源於20世紀70年代末，是一種消除量子雜訊的方法。

具體來說，光就好比是一條氣球。我們可以透過將長氣球中的一部分旋轉成用於定位的關節，但相對的，氣球的另一側則會膨脹。對於光也是一樣的，透過將雜訊從一個地方推到另一個地方，可以幫助其具有更準確的測量。

突破量子壓縮限制

自19年以來，LIGO不斷使用壓縮技術來提高重力波高頻範圍的靈敏度。但就像氣球一樣，擠壓光也是有代價的，我們在低頻率下得到的測量便變得不那麼準確。而現在，LIGO探測器對光學腔進行了優化，允許團隊根據特定的引力波頻率，以不同的方式擠壓光線，從而減少整個LIGO頻率範圍內的噪音。

用形象化的例子來比喻，光子就好像一罐彈珠，想像一下你朝著地板倒出彈珠，彈珠會摔在地上，各自發出聲響，並在不規則的時間撞擊LIGO探測器。而自壓縮技術實現以來，透過特殊晶體的幫助，光子就像串起的彈珠一樣，這種不規則的噪音現象更好地被避免。

「光的量子性質造就了問題，卻也是量子物理學為我們提供了解決方案。」負責技術開發的科學家Lisa Barsotti感嘆道。透過幾十年的持續投資與努力，LIGO成功突破了量子限制，並準備好進一步成為量子領域的推動者。

資料來源:Innovations

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