高Q值扭摆系统的经典与量子噪声极限研究

As a basic tool for weak force test, the high sensitive torsion pendulum was widely used in modern gravitational and electromagnetical experiments, as well as in the experiments for test of fundamental physical laws. This project will study the classical and quantum noise limit of high sensitive torsion pendulum. Although the theory of the quantum noise has been successfully applied to some gravitational experiments, such as the gravitational wave detection with Weber bar, and searching for feeble effects with micro harmonic oscillator system, the quantum noise of the torsion pendulum has not been considered in most gravitational experiments, where the classical noise is still much larger than the quantum noise. However, as the development of high Q, low temperature and vibration isolation techniques, the gap between the classical and quantum noise in torsion pendulum is narrowing. The high sensitive torsion pendulum is usually affected easily by the outer electromagnetic field and measurement system. This project will study the general noise disturbance of the torsion pendulum with high Q from the classical to the quantum noise in the disturbance of measurement system and the external environment. We will also give the mathematical formulas of classical and quantum noise limit of torsion pendulum, and show on how to reach the noise limit under the current experimental conditions.

精密扭摆作为一种高灵敏度的弱力检测工具，已被广泛应用于引力和电磁力等弱力的精密测量以及对现有基本物理定律和物理规律的实验检验中。本项目拟围绕精密扭摆系统的经典噪声与量子噪声极限问题开展研究。在引力实验中，量子噪声的理论已成功应用于棒状、球状引力波天线和小质量的微谐振子系统，但并未应用于扭摆系统。主要原因是目前常用扭摆系统的经典噪声仍远高于量子噪声，但随着高Q值、低温与隔振技术的发展，扭摆的经典与量子噪声的差距正逐步缩小。高Q值扭摆极易受到外部环境和测量系统的干扰，本项目拟针对引力实验中常用的高Q值扭摆，从经典到量子层次逐步研究其在外部环境和测量系统干扰下的各种噪声问题，给出高Q值扭摆系统的经典与量子噪声极限公式。结合现有的实验技术条件，提出相应的量子测量方案，使得基于扭摆弱力测量系统的噪声能够接近或到达量子噪声极限。

在引力实验中，量子噪声的理论已成功应用于棒状、球状引力波天线和小质量的微谐振子系统，但并未应用于扭摆系统。主要原因是目前常用扭摆系统的经典噪声仍远高于量子噪声，但随着实验技术的发展，扭摆的经典与量子噪声的差距正逐步缩小。因此，分析扭摆系统中的量子噪声是十分必要的。本项目主要结合了量子测量及光弹性效应，根据现有的实验技术条件，提出了近距离高分辨率的扭摆实验方案，对传统扭摆系统中量子噪声极限进行了系统的研究。通过分析，得到了光机控制扭摆系统中量子噪声的表达式，实现了将量子噪声的研究对象从现有的微观尺度的机电系统扩展到宏观尺度的扭摆系统。根据选取的合适参量值，此光机系统可以极大程度地提高扭摆的等效刚性，实现更近距离（70 nm）的引力实验。同时，实验中整体噪声在低频时处于热噪声水平，高频时可以达到量子噪声水平。因此，用光机控制扭摆可以实现近距离的高分辨率的引力实验方案，该研究成果发表在Physics Review A上。此外，结合具体的角加速度法测G实验，本项目也研究了验数据的处理规范以及各种经典噪声的影响，如提出了改进的相关法，此法可同时高精度估计频率时变的背景引力信号的主要谐波分量的振幅，该研究成果发表在Review of Scientific Instruments上。上述论文均被SCI收录，相关研究成果对近距离引力实验方案的探究以及G值的精确确定具有重要的指导意义。