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用钻石开发量子重力传感器 大小为目前引力波探测器的1/4000

时间:2020-07-21 作者:专家委 点击:157

仪表网 仪表研发】伦敦大学学院(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,该探测器仅为目前使用的探测器的1/4000,并且可以探测中频重力波。这项新研究表明,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。
 
  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)和Virgo合作,首次对重力波进行了直接观测。这些波是由两个超大质量黑洞之间13亿年前的碰撞而发出的,科学家们使用4公里长的光学干涉仪检测到了它们。
 
  上述这项发表在《新物理学杂志》(New Journal of Physics)上的研究报告,详细介绍了如何使用最新的量子技术和实验技术来构建一种能够同时测量和比较两个位置的重力强度的探测器。
 
  为使引力波探测仪更加精准,方便使用,来自UCL、格罗宁根大学和华威大学的研究人员试图利用最先进的量子技术和实验技术,建造一个能够同时测量和比较两个地点重力强度的探测器。
 
  通过使用重量为10 ^ -17 kg的纳米级金刚石晶体,它就可以运作。使用斯特恩-杰拉赫(Stern-Gerlach)干涉法将晶体置于量子空间叠加中。空间叠加(Spatial superposition)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、离子和分子的实验得以验证。
 
  通讯作者Ryan Marshman(UCL物理与天文学和UCLQ)说:“使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,但是更深入的实验,正在推进一系列新型干涉测量技术,这些技术使我们的设备能够更透彻地研究重力波。”
 
  “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时才有可能使用,这些探测器的基线为数十万公里。”
 
  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。该网络在提供正在产生重力波的物体具体位置的精确信息时,也可能很有用。
 
  “虽然我们提出的传感器在其应用范围上很雄心勃勃(看似难以实现),但在使用当前和不久未来的技术来创建传感器方面,似乎没有任何根本性的或不可克服的障碍。”合著者Sougato Bose教授表示:“制造这种探测器的所有技术要素已在世界各地的不同实验中分别实现: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。
 
  研究负责人之一瑞安·马什曼(Ryan Marshman)表示:“实际上,我们最初的目标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,之后我们发现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!”

(来源:仪表网 )