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『引力波』攻克引力波探测器，受电磁场真空涨落效应，引起的量子噪声限制！


日本国家天文台科学家利用位于东京三中的前TAMA300引力波探测器的基础设施 ， 展示了一种降低探测器中量子噪声的新技术 。 这项新技术将提高探测器的灵敏度 ， 这些探测器组成了一个合作的全球引力波网络 ， 能够观测到更微弱的引力波 。 当它在2000年开始观测时 ， TAMA300是世界上最早的大规模干涉引力波探测器之一 ， 当时 ， TAMA300的灵敏度还是世界上最高的 。

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TAMA300还对引力波信号的强度设定了上限；但15年后的2015年 ， LIGO首次探测到了实际的引力波 。 从那时起 ， 探测器技术已经改进到现代探测器每月观测几个信号的地步 。 从这些观测中获得的科学成果已经令人印象深刻 ， 预计在接下来的几十年里还会有更多成果 。 TAMA300不再参与观测 ， 但仍被用作改进其他探测器的新技术试验台 。 目前和未来引力波探测器的灵敏度 ， 几乎在所有频率都受到电磁场真空涨落效应引起的量子噪声限制 。

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【『引力波』攻克引力波探测器，受电磁场真空涨落效应，引起的量子噪声限制！】

但即使是这种固有的量子噪音也可以回避 ， 有可能操纵真空涨落来重新分配量子不确定性 ， 以增加另一种不同、障碍性较小类型的噪声为代价来减少一种类型噪声 。 这种被称为真空压缩的技术已经在引力波探测器上实现 ， 极大地提高了它们对更高频率引力波的灵敏度 。 但是 ， 电磁场与探测器反射镜之间的光机相互作用 ， 使真空压缩效应随频率的变化而变化 。 因此 ， 在低频下 ， 真空压缩会增加错误类型的噪声 ， 实际上会降低灵敏度 。

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为了克服这一限制并降低所有频率的噪音 ， 日本国家天文台(NAOJ)一个由内部引力波科学项目和KAGRA合作(但也包括Virgo和GEO合作的研究人员)成员组成的团队 ， 现在证明了一种称为频率依赖真空压缩的技术 ， 在引力波探测器有用频率上的可行性 。
由于探测器本身与电磁场相互作用随频率的不同而不同 ， 研究小组使用了以前的TAMA300探测器基础设施来创建一个本身随频率变化的磁场 。 正常的（与频率无关）压缩真空场从300米长的光腔反射 ， 从而印记频率依赖关系 ， 并且它能够抵消干涉仪的光学机械效应 。

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这项技术将能同时提高高频和低频的灵敏度 。 这是一个关键的结果 ， 展示了提高未来探测器灵敏度的关键技术 。 它的实施计划作为近期升级 ， 加上其他改进 ， 预计将使第二代探测器的观测范围翻一番 。 其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上 ， 用于先进引力波探测器宽带量子噪声降低的频变压缩真空源 ， 麻省理工学院的一个研究小组使用16米长的滤光腔也得到了类似结果 ， 这两研究篇论文将联合发表 。

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博科园｜研究/来自：国立自然科学研究院
参考期刊《物理评论快报》
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