量子测量,弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用

量子测量，弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用

2016年,美国激光干涉引力波天文台发文宣称利用千米量级引力波探测仪

首次探测到13亿光年外双黑洞并合产生的引力波,证实了一百年前爱因斯坦关

于引力波的预言。这是一个注定载入科学史的历史性时刻,在伽利略首次使用光学望远镜观测宇宙的四百年后,人类再次拥有观测宇宙的新窗口。如果对于电磁波的探测使得人类看到了绚丽多彩的宇宙,那么对于引力波的探测将使我们听到来自宇宙深处的天籁之音。迄今为止,LIGO和VIRGO科学共同体已经发布了 6

次引力波事件,其中前5起均为双黑洞并合产生的引力波,而最引人瞩目的第6

次引力波事件来源于双中子星旋近过程,其光学对应体被全球几十家天文学机构观测到,标志着多信使天文学的正式开端。

引力波探测仪的核心是一台“魔改”版迈克尔逊干涉仪,大量高精尖技术的使用使得探测仪的探测灵敏度在探测窗口内高到可以探测到质子半径万分之一

的长度变化,令人叹为观止。尽管如此,由于引力波极其微弱,现有引力波探测仪的探测灵敏度仍然需要被进一步提高以满足未来引力波天文学研究的需要。目前提高探测灵敏度的方法主要聚焦于技术升级和建造更长臂长的探测仪。一个有趣和重要的问题是,不同于现有的技术路线,我们是否有可能找到一种基于不同运

行原理的新型引力波探测仪?量子测量理论的最新进展,特别是关于量子弱测量

的研究提供了这种可能性。

量子弱测量理论由Aharonov,Albert和Vaidman于1988年首次提出,其基本框架是系统与指针弱耦合后再对系统进行后选择,通过测量指针获取系统的信息。由于量子弱测量在诸如解决量子悖论,直接量子态重构,特别是信号放大等方面

的应用,使其成为近十年来的研究热点。在本论文中,我们首先解决了在量子弱测量框架内实现普适的极小相位信号放大的困难并给出了具体的光学实现构型,在此基础上,通过引入光学腔,我们正式提出并设计了以弱测量放大为基础的新型

激光干涉引力波探测仪WMAGO。详细的量子噪声谱计算表明,WMAGO在较高频段有潜力比现有的引力波探测仪如LIGO等拥有更低的量子噪声,这意味着对于以量

子噪声为主要噪声的引力波探测仪,WMAGO可以在较高频段拥有更好的探测灵敏

度以及更大的带宽。

本博士论文包含的研究结果有以下几个方面:1:基于只有可观测量的本征态

及其相对应的概率分布是实际可测得这样的物理事实,我们提出应该将量子理论中的可观测量用正规算符表示,而不应仅仅局限于厄米算符。内容详见第一章第1.4节(Quantum Studies:Mathematics and Foundations,4,243(2017))。2:利

用弱测量,首次在光子体系中观察到一对纠缠光子的双重贝尔不等式违背现象。内容详见第二章第2.1-2.3节(arXiv:1609.01863)。

3:在光子体系中首次展现了量子加法器,其可以以一定概率精确的实现任意两个光子比特态的叠加,只要这两个比特态不正交于参考态。内容详见第二章第2.4节(Phys.Rev.A 94,033844(2016))。4:提出一种实现任意多非对易可观测量序列弱测量的方案并首次在实验中对单个光子三个非对易泡利可观测量的序列

弱值的测量。内容详见第三章(arXiv:1805.02235)。

5:提出了在弱测量框架内实现普适的极小相位信号放大测量的方案,给出了具体的光学实现构型并进行了实验验证。在此基础上通过引入光学腔,提出并设计了基于弱测量放大的新型引力波探测仪WMAGO,量子噪声谱计算表明WMAGO有

潜力在较高频段拥有比现有引力波探测仪更高的探测灵敏度和探测带宽。内容详见第四章第4.1-4.4节以及第八章

(arXiv:1707.00886;arXiv:1709.01218;arXiv:1803.07746;arXiv:1801.04763)。6:对于确定的量子态集合,从量子态变换角度出发,我们发现物理上允许存在量

子放大器能够对态集合中的态进行决定性的无噪声放大。

内容详见第四章第4.5节(Phys.Rev.A 92,022352(2015))。