新加州理工学院的教授李麦卡勒正在将量子测量更加精确化。

从小起，新任助理物理教授李麦卡勒便爱好亲手建造东西的过程。这种兴趣源于他的叔叔为他制造了一台电源。麦卡勒借助RadioShack的电子爱好套件，运用模拟电路操作实现了开关灯和马达等简单任务。如今，麦卡勒的工程技能被应用于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：激光干涉引力波观测站，简称LIGO。

麦克卡勒是著名的量子挤压领域专家，该领域的技术在LIGO中被用于实现对引力波极其精确的测量。这些引力波旅行数百万乃至数十亿光年的空间才能到达我们。当黑洞和塌缩的恒星，即中子星相互碰撞时，它们在时空中产生了涟漪，即引力波。位于华盛顿和路易斯安那的LIGO探测器专门用于探测这些波，但受限于量子噪声，这是量子力学的固有属性，导致光子在空虚的空间中出现和消失。量子挤压是一种减少这种不受欢迎的噪声的复杂方法。

自上世纪80年代早期以来，关于量子挤压和相关测量的研究就开始加速展开，加州理工学院的基普·索恩（BS ’62）教授和物理学家卡尔·凯夫斯（PhD ’79）以及其他国际学者的关键理论研究起到了重要的作用。这些理论启发了1986年由杰夫·金布尔（William L. Valentine物理学教授）首次展示的挤压实验。随后的几十年中挤压研究取得了许多其他进展，麦克卡勒目前正处于这个创新领域的前沿。例如，他一直忙于开发“频率相关”的挤压技术，预计将在今年5月LIGO重新启动时大大提高其灵敏度。

2010年毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校后，麦克卡勒在芝加哥大学获得了物理学博士学位。在那里，他开始参与一个名为费米实验室全息仪的项目，该项目寻找将引力与量子力学联系起来的一种推测性噪声。就是在这个项目中，麦克卡勒结识了LIGO的科学家，包括麻省理工学院的雷·韦斯——与索恩、巴里·巴里什（Ronald and Maxine Linde物理学教授）一起因在LIGO上的开创性工作而获得2017年诺贝尔物理学奖。韦斯和LIGO项目激发了麦克卡勒的灵感，他于2016年加入了麻省理工学院，并于2022年成为加州理工学院的助理教授。

未来，麦克卡勒希望将他在LIGO中开发的量子测量工具应用于其他问题。他说：“如果LIGO是世界上最精确的尺子，那么我们希望将这些尺子交给每个人使用。”

加州理工学院新闻在Zoom上与麦卡勒进行了交流，了解了他对量子压缩及其未来在其他领域的应用以及是什么激励了麦卡勒加入加州理工的更多了解。

您何时开始从事LIGO项目的工作？

2015年我从芝加哥大学毕业后，我去了麻省理工学院从事LIGO项目的工作。当我踏进大门时，他们正在开会讨论首次探测引力波的事情！虽然公众还不知道，但已经有传闻了。得知传闻居然是真的，看到每个人都欢欣鼓舞事情顺利进行是非常令人兴奋的。

当时正在进行的是一个当地的实验，它采用了稍后将在LIGO开始的具有频率依赖性的压缩光。我的工作是帮助建立这个技术的首个全尺寸演示。在我之前的小组已经先前演示了这个概念，但没有进行全尺寸演示。我在那里的目的是确切地展示将来在LIGO观测站中使用这个技术所需的条件。这需要一个特别具有挑战性的实验设备。

您能试着解释一下量子压缩是什么吗？

在LIGO的每个观测站，我们使用激光束来测量时空中的干扰，也就是引力波。激光束以90度角从两个4公里长的臂射出，然后反射在镜子上，再返回臂上相遇。如果引力波穿过空间，它会拉伸和挤压LIGO的臂，使激光失去同步；当激光再次相遇时，它们组合在一起会产生干涉图案。

在量子层面上，激光光中的光子在不同时间击中镜子。我们称之为分路噪声，或量子噪声。想象一下将一个罐子里的弹珠全部倒出来。它们都独立地在地面上碰撞发出声响。弹珠是随机地撞击地面，从而产生噪声。光子就像弹珠一样，它们以不规则的时间击中LIGO的镜子。量子压缩实质上使得光子更加规律地到达，就像光子们牵手而不是独自旅行。这意味着您可以更精确地测量LIGO内部光的相位或频率，最终可以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种特征推到另一种特征上。我们在相位（或频率）上使光更加确定，在振幅（或功率）上不太确定（不确定性原理表明无法同时准确知道光波的精确频率和振幅）。确切地解释压缩的工作细节非常困难！我主要知道如何使用数学来描述它。

您能详细解释一下LIGO上的量子压缩技术是如何工作的吗？

有趣的是，我们对实际激光并没有做任何处理。我们甚至没有接触它。当我们使用LIGO时，我们通过偏置臂使波的干涉不是完全暗的——还有一小部分光穿过。剩下的一点光的电场会与真空或空洞中的量子涨落相互作用，从而导致分路噪声或光子的行为就像弹珠一样，正如我们之前所谈到的。当我们压缩光时，实际上是在压缩真空，从而使光子在频率上的不确定性更小。

您正在进行的新的“频率依赖”技术具体涉及什么？

到目前为止，我们一直在LIGO中压缩光以减少频率上的不确定性。这使得我们能够对LIGO范围内的高频率引力波更加敏感。但如果我们想探测更低的频率——比如在黑洞合并之前，例如在物体碰撞之前的较早阶段——我们需要做相反的事情：我们希望使光的幅度（或功率）更加确定，频率不那么确定。在低频率下，分路噪声和我们之前提到的弹珠一样，会以不同的方式推动镜子。我们希望减少这种影响。我们在LIGO探测器上设计的新的频率依赖谐振腔旨在减少高频率上的频率不确定性和低频率上的幅度不确定性。我们的目标是在各个方面取得成功并减少不需要的镜子运动。

这种技术之所以在下一次运行中更为重要，部分原因是我们在激光上增加了功率。功率越大，对镜子的压力越大。我们的新压缩技术将使我们能够提高功率，而不会产生不需要的镜子运动。