量子重力傳感器可探測中頻引力波

愛因斯坦的廣義相對論預言，引力波是由大質量物體的某些運動在時空中產生的漣漪。研究它們是很重要的，因為它們使我們能夠探測到宇宙中那些原本很少或根本沒有可見光的事件，比如黑洞碰撞。　　

2015年，激光干涉儀重力波天文臺（LIGO）和處女座合作首次對引力波進行了直接觀測。這些波是在13億年前兩個超大質量黑洞的碰撞中發射出來的，當這一事件引起地球時空的漣漪時，用4公里長的光學干涉儀探測到了。　　

7月2日消息，來自加州大學洛杉磯分校、格羅寧根大學和沃里克大學的研究人員提出了一種基于量子技術的探測器，它比目前使用的探測器小4000倍，可以探測到中頻引力波。　　這項研究今天發表在《新物理雜志》上，詳細介紹了如何利用最先進的量子技術和實驗技術來建造一個能夠同時測量和比較兩個地點的重力強度的探測器。　　它將使用重達10-17公斤的納米級金剛石晶體，晶體將被放置在一個量子空間疊加使用斯特恩-杰拉赫干涉法。空間疊加是一種量子態，晶體同時存在于兩個不同的地方。　　

量子力學允許一個物體，無論多大，同時在兩個不同的地方空間離域。盡管量子力學的疊加原理與我們的日常經驗有悖常理，但它已經用中子、電子、離子和分子進行了實驗驗證。　　通訊作者RyanMarshman（UCL物理與天文學和UCLQ）說：“量子重力傳感器已經存在，使用疊加原理。這些傳感器用于測量牛頓重力，并制造出難以置信的精確測量設備。目前量子重力傳感器所使用的量子質量比原子小得多，但實驗工作正在取得進展，新的干涉測量技術需要使我們的設備工作，以研究引力波。我們發現，與LIGO相比，我們的探測器可以探測不同頻率范圍的引力波。只有當科學家們在太空中用幾十萬公里長的基線建造大型探測器時，這些頻率才可能出現。”　　研究小組設想，他們提出的更小的探測器可以用來建立一個探測器網絡，能夠從背景噪聲中提取引力波信號。這個網絡也可能有用，提供產生引力波的物體位置的精確信息。　　

合著者Sougato Bose教授（UCL物理與天文學和UCLQ）說：“雖然我們提出的傳感器在其范圍內是雄心勃勃的，但似乎沒有任何根本的或不可克服的障礙，使用當前和不久的將來的技術創造它。制造這種探測器的所有技術要素都是在世界各地的不同實驗中單獨實現的：所需的力、所需的真空質量、將晶體疊加的方法。困難在于將它們組合在一起，并確保疊加保持原樣。”　　下一步是團隊與實驗人員合作，開始構建設備的原型。重要的是，同一類探測器也有助于探測重力是否是一種量子力，正如最近UCL和其他機構的研究所示。　　瑞安·馬什曼說：“事實上，我們最初的目標是開發這種裝置來探索非經典重力。但是，由于實現這樣一個裝置是一項相當大的努力，因此我們認為，檢驗這種裝置在測量非常弱的經典重力（如引力波）方面的有效性是非常重要的，并發現它是有前途的！”