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桌面量子实验–比当前设备小4000倍–可以检测引力波

时间：2022-04-22 12:25:04 来源：

艺术家演绎的双星合并，据信会产生引力波，引起时空波动。

UCL领导的一项新研究表明，微小的钻石晶体可以用作能够测量引力波的极其灵敏的小型引力探测器。

由爱因斯坦的广义相对论预测，引力波是由大质量物体的某些运动产生的时空波动。研究它们很重要，因为它们使我们能够检测宇宙中的事件，否则这些事件将很少或没有可观察到的光，例如黑洞碰撞。

2015年，激光干涉仪重力波天文台（LIGO）与处女座的合作首次对重力波进行了直接观测。波浪是由两个超大质量黑洞之间13亿年前的碰撞而发出的，并使用4公里长的光学干涉仪探测到，因为该事件引起了地球时空的波动。

UCL，格罗宁根大学和华威大学的研究人员提出了一种基于量子技术的探测器，该探测器比目前使用的探测器小4000倍，并且可以探测中频重力波。

该研究今天发表在新物理学上，详细介绍了如何利用最新的量子技术和实验技术来构建能够同时测量和比较两个位置的重力强度的探测器。。

它可以通过使用重量为10 ^ -17kg的纳米级金刚石晶体来工作。使用斯特恩-杰拉赫（Stern-Gerlach）干涉测量法将晶体放置在量子空间叠加中。空间叠加是一种量子态，其中晶体同时存在于两个不同的位置。

量子力学允许将物体（无论多么大）一次在两个不同的位置进行空间离域。尽管有悖常理，并且与我们的日常经验有直接冲突，但量子力学的叠加原理已通过中子，电子，离子和分子的实验验证。

通讯作者Ryan Marshman（UCL物理与天文学和UCLQ）说：利用叠加原理，已经存在量子重力传感器。这些传感器用于测量牛顿重力，并制造出极其精确的测量设备。当前的量子重力传感器使用的量子质量要小得多，例如原子，但是实验工作正在发展使我们的设备能够研究重力波所需的新干涉技术。

“我们发现，与LIGO相比，我们的探测器可以探测到不同范围的引力波频率。这些频率只有在科学家在太空中建造大型探测器且基准线为数十万公里的情况下才可能使用。”

研究小组设想，他们提出的较小的探测器可用于构建探测器网络，该探测器网络能够从背景噪声中提取出引力波信号。该网络在提供有关正在创建引力波的物体位置的精确信息时，也可能很有用。

合著者Sougato Bose教授（UCL物理与天文学和UCLQ）说：“尽管我们提出的传感器在其范围上具有雄心勃勃，但使用当前和不久的将来的技术创建传感器似乎没有任何根本性或不可克服的障碍。

“制造这种探测器的所有技术要素在世界各地的不同实验中都得到了初步实现：所需的力，所需的真空质量，将晶体叠置的方法。困难在于将所有这些放在一起并确保叠加保持完整。”

下一步是团队与实验人员合作，开始构建设备的原型。重要的是，如UCL和其他地方的最新研究所示，同一类检测器也可以有助于检测重力是否是量子力。

瑞安·马什曼（Ryan Marshman）说：“实际上，我们最初的野心是开发可探索非经典重力的装置。但是，由于要花费大量精力来实现这样的设备，我们认为检查这种设备对测量非常弱的经典重力（如重力波）的功效非常重要，并发现它很有希望！”

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参考：Ryan James Marshman，Anupam Mazumdar，Gavin Morley，Peter F Barker，Steven Hoekstra和Sougato Bose撰写的“公制和曲率的中观干涉（MIMAC）和引力波检测”，于2020年6月23日接受《新物理学》杂志。DOI：
10.1088 / 1367-2630 / ab9f6c

这项工作是由荷兰科学研究组织，皇家学会以及工程和物理科学研究委员会资助的。

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