一项新的实验可以帮助建立测量和比较重力强度的探测器

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2020年7月2

爱因斯坦的广义相对论预言，引力波是时空中的涟漪，由大质量物体的某些运动产生。研究它们很重要，因为它们让我们能够探测到宇宙中的事件，否则这些事件会留下很少或没有可观测到的光，比如黑洞碰撞。

2015年，激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravitational - wave Observatory, LIGO)与Virgo合作首次对引力波进行了直接观测。这些波是由两个超大质量黑洞之间13亿年的碰撞发出的，当该事件在地球的时空中引起涟漪时，利用4公里长的光学干涉仪探测到。

来自伦敦大学学院(UCL)、格罗宁根大学(University of Groningen)和华威大学(University of Warwick)的研究人员提出了一种基于量子技术的探测器，比目前使用的探测器小4000倍，可以探测中频引力波。

这项研究今天发表在新物理杂志，详细介绍了如何使用最先进的量子技术和实验技术来建造一个能够同时测量和比较两个地点重力强度的探测器。

它的工作原理是使用重量为-10- 17千克的纳米级钻石晶体。利用Stern-Gerlach干涉法将晶体置于量子空间叠加中。空间叠加是一种晶体同时存在于两个不同位置的量子态。

量子力学允许一个物体，不管它有多大，同时在两个不同的地方被空间分散。尽管有违直觉，与我们的日常经验直接冲突，但量子力学的叠加原理已经通过中子、电子、离子和分子得到了实验验证。

通讯作者Ryan Marshman (UCL物理与天文学和UCLQ)说:“利用叠加原理的量子引力传感器已经存在。这些传感器是用来测量牛顿引力的，是非常精确的测量设备。

目前量子引力传感器使用的量子质量要小得多，比如原子，但实验工作正在取得进展，新的干涉测量技术需要我们的设备来研究引力波。

“我们发现，与LIGO相比，我们的探测器可以探测不同频率的引力波。只有科学家在太空中建造基线尺寸为数十万公里的大型探测器，才能探测到这些频率。”

研究小组设想，他们提出的更小的探测器可以用来建立一个探测器网络，能够从背景噪声中提取出引力波信号。这个网络还可能提供产生引力波的物体的精确位置信息。

合著者Sougato Bose教授(UCL物理与天文学和UCLQ)说:“虽然我们提出的传感器在其范围上是雄心勃勃的，但使用当前和近期的技术，似乎没有任何根本性或不可逾越的障碍。

“制造这种探测器的所有技术元素都在世界各地的不同实验中分别实现了:所需的力、所需的真空质量、将晶体置于叠加状态的方法。困难在于如何将它们整合在一起，并确保它们的叠加保持完整。”

下一步，该团队将与实验人员合作，开始制造该设备的原型。重要的是，正如伦敦大学学院(UCL)和其他地方最近的研究显示的那样，这类探测器也可以有助于探测重力是否是量子力。

瑞安Marshman说:“事实上，我们最初的目标是开发一种探索非经典重力的设备。但是，由于实现这样一个设备将是相当大的努力，我们认为检验这样一个设备的有效性是非常重要的，也可以测量非常弱的经典引力，如引力波，并发现它是有希望的!”