從量子力學的角度看，宇宙是一個嘈雜的、破裂的空間，在該空間中，粒子不斷閃爍、不停地存在，并形成了量子噪聲的背景，通常在日常物體中檢測不到這種效應的微妙效果。

麻省理工學院LIGO實驗室的研究人員領導的團隊現在第一次測量了這種量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響。該最新研究成果論文發表在今天的《自然》雜志上。

論文第一作者與通訊作者，為麻省理工學院物理系研究生、中國學者于浩村（Yu， Haocun）。她于2015年畢業于英國倫敦帝國理工學院，以后到美國麻省理工學院從事對引力波檢測及其LIGO干涉儀的壓縮和量子相關性的研究。她自我介紹說，除了物理，她喜歡游泳、騎馬和玩琴。

研究報告指出，盡管微觀量子波動是如此微小，但證明仍可以“踢動”一個像激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）里的40公斤鏡子一樣大的物體，使這個物體移動了很小的幅度，但研究團隊可以測量出來。

他們所測得證明，LIGO探測器中的量子噪聲足以將大型反射鏡移動10的負20方米，這種位移是由量子力學所預測的，對于這種大小的宏觀物體，過去從未如此測量過。

論文第二作者、麻省理工學院卡夫里天體物理與空間研究所的研究科學家、李·麥卡勒（Lee McCuller）說：“一個氫原子是10的負10次方米，所以鏡子的位移相當于是氫原子的位移，我們對此進行了測量。”

于解釋說，研究人員使用了他們設計的一種特殊的工具，稱為量子擠壓器（quantum squeezer），以“操縱探測器的量子噪聲并減少其對反射鏡的撞擊，從而最終可以提高LIGO在探測引力波方面的靈敏度”。如圖所示量子擠壓器的原理。

由于引力波作用，引力波檢測器的一只長臂受到了擠壓。振幅和相位的不確定性之間具有相關性的光被稱為“壓縮”的。引力波探測器包含光腔，該光腔由懸掛在鐘擺上并間隔數公里的反射鏡組成。光以“未壓縮”狀態進入腔體，也就是說，與光的相位和振幅有關的量子漲落（測量概率分布中的不確定性）彼此不相關。反射鏡的振蕩運動是由循環光的輻射壓力引起的，導致陷在腔中的光發生相移，并在振幅和相位之間產生量子相關性（稱為質動力效應）。因此，從腔中出來的光被擠壓了。對于此示例，已減小了相位不確定性，而增加了幅度不確定性。在不同的信號觀察頻率下，光可能會被另一種方式擠壓-相位不確定性增加且幅度不確定性降低。這種效應可以用來提高重力波探測器的測量精度，從而超過精度的固有極限（標準量子極限）。研究還表明，輻射壓力噪聲（空腔中捕獲的光在公斤級反射鏡上產生的力的微小變化）有助于懸置反射鏡的運動。

論文作者、麻省理工學院物理系教授納爾吉斯·馬瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）說：“這個實驗的特別之處在于我們已經看到了像人類一樣宏觀的量子效應。” “我們自己實際上每一納秒都在被這些量子抖動所影響。因為我們存在自己的抖動，即我們的熱能，所以對于這些量子漲落來說太大了，難以測量到它們的運動。”通過LIGO引力鏡，我們可以做這樣的工作，將它們與熱驅動運動和其它作用力分隔開，這樣它們現在微觀的量子漲落可以在宇宙宏觀的角度被觀察到。

LIGO旨在檢測從數百萬到數十億光年的波變源到達地球的引力波。它包括兩個雙探測器，一個在華盛頓州，另一個在路易斯安那州。每個檢測器都是一個L形干涉儀，由兩個4公里長的隧道組成，在其末端懸掛有40公斤的反射鏡。

為了檢測引力波，位于LIGO干涉儀輸入端的激光沿著檢測器的每個通道發送光束，在該通道的遠端從反射鏡反射回來，返回到其起點。在沒有引力波的情況下，激光應在相同的精確時間返回。如果引力波通過，它將短暫地干擾反射鏡的位置，從而干擾激光的到達時間。

于說：“我們認為量子噪聲是沿不同軸分布的，我們試圖在某些特定方面降低噪聲。”當壓縮器設置為特定狀態時，它可以例如壓縮或縮小相位不確定性，同時擴大或增加幅度的不確定性。以不同角度擠壓量子噪聲將在LIGO探測器中產生不同比例的相位噪聲和幅度噪聲。

通過使用擠壓光來減少LIGO測量中的量子噪聲，該團隊已使測量比標準量子極限更加精確，從而將最終幫助LIGO檢測微弱、更遠、更多的引力波。《自然》雜志專題評論文章指出，這一重要技術將有可能迎來一個引力波檢測的新時代。