想要探索重力下宏观（macroscopic）或重体（heavy bodies）运动的量子物理实验，需要用到可免受任何噪声影响的环境、以及相当高效的传感系统。理想情况下，这套系统可包含一个高反射镜，并由单色光感测其运动，后者在光电检测时具有极高的量子效率。若光和镜面运动的量子不确定性受到相互影响，就意味着量子光机械实验的实现，最终让我们观察到光与运动自动度之间的纠缠。


用于观测引力波的激光干涉仪示意图


在近日出版的《AVS Quantum Science》期刊中，来自德国汉堡大学的一支研究团队，不仅回顾了奠定量子技术历史范例的引力波探测器研究，还检验了有关量子物理学和引力之间联系的基础研究。


SCI Tech Daily 指出：


引力波天文学观测，需要用到灵敏度前所未有的实验装置，来测量音频频带及以下频率的微小时空振荡。


如上图所示，若光辐射压力的量子不确定性是作用在镜子上的主要能量来源，那镜子就会与反射光束产生一个共同的量子物体。


在这种情况下，干涉仪的灵敏度，就处于测量由引力波引起的镜位变动的最佳状态。


研究团队检查了最近的引力波实验，表明其能够保护住大型物体 —— 比如反射 200 kW 激光的 40公斤石英玻璃镜 —— 使其免受热和震动等强烈的环境影响，从而使它们能够作为一个量子物体演化。



论文作者 Roman Schnabel 表示：


镜与光之间只能单方面感知，实验环境基本上不适用于同时反映两者。但它们的联合演化，还是能够用薛定谔方程来描述。


与环境的脱钩，是所有量子技术的核心（包括量子计算机）。在此基础上，我们可达成原本不可能实现的测量灵敏度目标。


研究人员们回顾了诺贝尔奖得主 Roger Penrose 在探索大质量物体的量子行为方面的工作，可知其试图更好地理解量子物理学和引力之间的联系 —— 目前这仍是一个悬而未决的问题。


Penrose 设想了一个实验，特点是光会通过辐射压力耦合到机械设备上。虽然物理学界仍未解决这些相当基础的问题，但反射激光的大型装置，其高屏蔽耦合正受益于持续改进的传感技术。


展望未来，研究人员可能会进一步探索将引力波探测器与环境影响脱钩。而将量子设备与任何环境热能交换脱钩，也是量子测量设备和量子计算机领域都亟盼的一项进步。