消除量子噪声

北京大学 王树峰 翻译自 Philip Ball. Physics，May 22，2026

本文选自《物理》2026年第7期

在加速度计或引力波探测器中，当利用光对运动进行高精度探测时，其极限灵敏度受制于量子噪声，这种噪声在原理上无法避免。研究团队展示了一款桌面设备，它能在测量之前对光束进行预处理，从而降低量子噪声。这种噪声抵消技术让人联想到降噪耳机的工作原理。该设备能够在宽的频率范围内实现可达77%的噪声抑制，有望在量子信息处理方面找到诸多应用。

引力波探测器(例如意大利比萨附近的Virgo装置)通过由两臂长度微小的相对变化来感知引力波。当两束从长臂远端的镜子反射回来的光束发生干涉时，探测干涉图样可以实现臂长相对变化的测量，其灵敏度受到光场噪声的制约

观测引力波时，两束激光分别从探测器双臂远端的镜子反射回来，他们交叠时产生的干涉图样可用于探测空间的变化。当引力波经过探测器时，探测臂的长度变化极其微小，因此这种探测要求极高的灵敏度，但光场中固有的量子涨落会限制其精度。为抑制量子噪声，研究人员常用一种称为“压缩”的技术将量子涨落从某一参量转移到另一参量(例如从相位转移到强度)，从而在所需测量维度上实现降噪。

然而，这种方法需要的设备昂贵且庞大。另一种方案则是2010年提出的量子噪声消除法，其思路是生成一个与噪声相位相反的光学信号，利用相消干涉抵消噪声。这种主动式降噪在经典声学和电子设备中已十分常见，但要将其推广到量子系统中，还有很多挑战。

“类比于经典噪声消除虽然有助于理解，但不够全面，”德国弗里德里希·席勒大学的量子光学专家Jonas Junker解释说，在量子场景下，噪声并非来自被测量的外部信号，而是测量行为本身所造成的。在光力测量中，探测物体的光场存在量子涨落，从而会施加一个随时间波动的辐射压力。被测物体在这种涨落压力的驱动下，会反过来向光束中注入附加噪声，这一现象称为量子反作用。

2022年，德国马克斯·普朗克引力物理研究所的研究人员从理论上证明，可以在探测光束中引入一个“反噪声”成分，从而抵消量子反作用噪声。其方案是在光束进入光力系统之前，先通过一个振荡腔，它是一个光学腔，两边的腔镜让光束在其中多次反射。腔体的设计使光产生的振荡恰好能与光力系统的振荡相抵消。如此以来，进入光力系统的光束携带了一个可抵消量子反作用噪声的成分，这个振荡器可认为具有“负有效质量”。力学系统中具有负质量的物体，在外力的作用下会朝受力相反的方向运动。

Junker及同事与汉诺威的研究人员合作，成功搭建了该方案所需的负有效质量振荡器(ENMO)，并验证了其性能足以抵消量子反作用噪声。这个振荡器可用于对微小运动或作用力有高精度感知的振动薄膜进行光学测量。在膜片几十万赫兹振荡频率附近，他们观察到ENMO可抑制高达77%的量子反作用噪声。不过，目前他们尚未完成完整的实验来展示这一性能指标。

Junker指出，能够相干地调节光与元件之间的相互作用，其应用领域可能远超量子噪声消除。他认为，这种相互作用调控在量子信息处理的诸多方向都是核心需求，例如“光学量子存储器”，该类器件需要在不引入额外噪声的前提下，实现光量子态的映射、存储和读取。

哥本哈根大学量子传感专家Eugene Polzik认为，“相较于其他技术路线，该方案的通用性更强，且技术实现难度相对较低。”并且认为这项研究有望在引力波探测、磁力计量以及干涉测量等多个领域找到实际应用。澳大利亚新南威尔士大学的量子光学专家Matthew Woolley指出，该技术还有望通过桌面实验实现量子引力探测，这类实验要求超高灵敏度和低噪声水平的测量技术。

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