物理学教授兼量子压缩专家李·麦卡勒(Lee McCuller)正在开发创新技术，以提高世界上最先进的引力波探测器LIGO的灵敏度。他未来的目标是将这些技术的应用范围扩大到LIGO之外。
加州理工学院的新教授李·麦卡勒正在使量子测量更加精确。
从年轻的时候起，新上任的物理学助理教授李·麦卡勒(Lee McCuller)就喜欢动手建造东西的过程。这种兴趣是由他的叔叔培养起来的，他为他制造了一种电源。McCuller将其与RadioShack的电子爱好套件结合使用，执行简单的任务，例如操作模拟电路来打开和关闭灯和电机。今天，麦卡勒的工程技术被应用到一个非常先进的设备上，有人称之为世界上最先进的测量设备:激光干涉仪引力波天文台，简称LIGO。
李·麦卡勒，物理学助理教授。信贷:加州理工学院
麦卡勒是量子压缩领域公认的专家，量子压缩是LIGO使用的一种技术，可以实现对引力波的极其精确的测量。它们穿越数百万乃至数十亿光年的空间到达我们这里。当黑洞和坍缩的中子星碰撞时，它们会在时空中产生涟漪，即引力波。位于华盛顿和路易斯安那州的LIGO探测器专门探测这些引力波，但受到量子噪声的限制，量子噪声是量子力学的一种固有特性，会导致光子在真空中出现和消失。量子压缩是一种复杂的方法来减少这种不必要的噪声。
对量子压缩和相关测量的研究早在20世纪80年代就开始了，加州理工学院的基普·索恩(1962届学士)、理查德·p·费曼理论物理学名誉教授、物理学家卡尔·凯夫斯(1979届博士)和世界各地的其他人都进行了重要的理论研究。这些理论启发了威廉·l·瓦伦丁物理学名誉教授杰夫·金布尔(Jeff Kimble)在1986年进行的第一次压缩实验演示。在接下来的几十年里，挤压研究取得了许多其他进展，现在麦卡勒处于这一创新领域的前沿。例如，他一直忙于开发“频率依赖”压缩，这将大大提高LIGO在今年5月重新启动时的灵敏度。
麦卡勒于2010年在德克萨斯大学奥斯汀分校获得学士学位后，进入芝加哥大学学习，并于2015年获得物理学博士学位。在那里，他开始进行一项名为费米全息仪的实验，该实验旨在寻找一种推测性的噪音，将引力与量子力学联系起来。正是在这个项目中，麦卡勒遇到了LIGO科学家，包括麻省理工学院的Rai weiss，他与索恩和巴里巴里什一起，罗纳德和玛克辛林德物理学名誉教授，因在LIGO上的开创性工作而获得2017年诺贝尔物理学奖。McCuller受到Weiss和LIGO项目的启发，决定在2016年加入麻省理工学院。他于2022年成为加州理工学院的助理教授。
未来，McCuller希望将他为LIGO开发的量子测量工具应用于其他问题。“如果LIGO是世界上最精确的尺子，那么我们想让每个人都能使用这些尺子，”他说。
LIGO汉福德实验室。来源:LIGO实验室
《加州理工学院新闻》就Zoom项目采访了麦卡勒，了解了更多关于量子压缩及其未来在其他领域的应用，以及是什么激发了麦卡勒加入加州理工学院。
你是什么时候开始研究LIGO的?
2015年从芝加哥大学毕业后，我去了麻省理工学院研究LIGO。我进门的时候，他们正在开会讨论首次探测到引力波!公众还不知道，但有传言说。得知谣言是真的很令人兴奋，看到每个人都为事情的进展而欣喜若狂也很高兴。
当时当地正在进行一项实验，以频率相关的方式使用压缩光，该实验将于今年晚些时候在LIGO启动。我的工作是帮助建立第一个全尺寸的演示。在我之前，这个小组已经演示过这个概念，但不是全尺寸的。我在那里是为了展示在LIGO天文台中使用它到底需要什么。这需要一个特别具有挑战性的实验设置。
你能解释一下什么是量子压缩吗?
在每一个观测站，LIGO使用激光束来测量时空中的扰动——引力波。激光束以彼此90度的角度射出，沿着两条4公里长的手臂行进。它们被镜子反射回来，沿着手臂往回走，然后再次相遇。如果引力波穿过空间，它会拉伸和挤压LIGO臂，这样激光就会被推离同步;当它们相遇时，组合的激光将产生干涉图样。
在量子层面上，激光中的光子在不同的时间照射到镜子上。我们称其为微噪声，或量子噪声。想象一下倒出一罐bb弹。它们都落在地上，各自发出咔哒咔哒的声音。这些bb弹随机地落在地上，产生了噪音。光子就像bb，在不规则的时间撞击LIGO的镜子。从本质上讲，量子压缩使光子更有规律地到达，就好像光子是牵着手而不是独立运动一样。这意味着你可以更精确地测量ligo内部光的相位或频率，并最终探测到更微弱的引力波。
为了压缩光，我们基本上是将光波固有的不确定性从一个特征推到另一个特征。我们正在使光在相位或频率上更加确定，而在幅度或功率上更加不确定(测不准原理说光波的精确频率和幅度不能同时知道)。要真正解释挤压是如何工作的细节是非常困难的!我主要知道如何用数学来描述它。
你能再解释一下吗量子压缩技术是如何在LIGO工作的?
关于压缩光的一个有趣的事情是我们没有对真正的激光做任何事情。我们甚至都不碰它。当我们操作LIGO时，我们对臂进行了偏移，这样它的波干涉就不是完全黑暗的——有少量的光可以通过。剩下的一点点光有一个电场，干扰真空或真空空间中的量子涨落，这就导致了散粒噪声或者像我们之前讨论过的光子的行为。当我们压缩光的时候，我们实际上是在压缩真空，这样光子在频率上的不确定性就会降低。
你正在研究的新的“频率依赖”技术需要什么?
到目前为止，我们一直在LIGO中压缩光，以减少频率的不确定性。这使得我们对LIGO探测范围内的高频引力波更加敏感。但是，如果我们想要探测到较低的频率——比如，在黑洞合并的早期，在物体碰撞之前——我们需要做相反的事情:我们想要使光的振幅或功率更确定，而频率更不确定。在较低的频率，散粒噪声，我们的bb状光子，以不同的方式推动镜子。我们想要减少它。我们在LIGO探测器上设计了新的频率依赖腔，以减少高频的频率不确定性和低频的幅度不确定性。目标是赢得所有地方，并减少不必要的镜像运动。
这项技术在接下来的运行中更重要的部分原因是我们正在打开激光器的功率。动力越大，后视镜承受的压力就越大。我们的新挤压技术将使我们能够在不产生不必要的镜像运动的情况下提高功率。
这意味着我们将对黑洞和中子星合并的早期阶段更加敏感，我们可以看到更微弱的合并。
你还在做什么项目?
我正在做的一个项目涉及凯瑟琳·祖雷克和拉纳·阿迪卡里。我们正在建造一个桌面大小的探测器，它将试图捕捉量子引力的特征，或者像一些人说的那样，在空间和时间上捕捉像素。他们的想法是让干涉仪更像高能物理探测器。当有东西经过时，探测器会发出咔哒声，这在很大程度上规避了射孔噪声的影响。我喜欢这个项目的动机——量子引力，它是将引力理论与量子物理学结合起来的探索。这是一个非常崇高的目标。
总的来说，我希望从LIGO的工作中成长，并应用量子测量技术，不仅可以增强引力波探测器，还可以看到其他基础物理实验或技术可以改进的地方。我想用量子光学不一定是为了计算或信息，而是为了测量。压缩光是这些概念在真实实验中的首次演示之一。希望我们可以在越来越多的实验中继续使用这些量子技术。我们想要利用LIGO的优势，找到所有可以应用它的地方。
你为什么选择加州理工学院?
加州理工学院有很多以任务为导向的科学家。它不仅仅是关于学习、展示或探索——它是所有这些事情的结合。我喜欢一个目标是整合技术并进行新实验的地方。以LIGO为例。很少有人知道整个事情是如何运作的，他们中的许多人都在这里。在加州理工学院，人们理解我们所做的事情是艰难的。好的项目既需要狭义的专业知识，也需要广义的专业知识，还需要合适的人员。学生们同样受到科学目标和过程的激励。我们不只是在努力制造可靠的东西，我们也在努力制造一些处于可能边缘的东西。
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我是文学号的签约作者“啊爹”！
希望本篇文章《量子压缩：在物理学的边缘》能对你有所帮助！
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