2015年通过激光干涉地面引力波探测器，人类首次直接探测到了双黑洞并合发射的引力波信号。这一里程碑标志着我们正式开启了观测宇宙的全新窗口——引力波。随后，在2017年的双中子星事件GW170817中，我们不仅探测到了引力波信号，还通过光学望远镜捕捉到了其电磁对应体。首次联合引力波和电磁波对同一事件的观测开创了多信使引力波天文学。然而，由于双中子星并合时引力波频率在千赫兹附近，恰好超出了LIGO及VIRGO探测器最敏感的频段，我们错过了包含丰富新物理的并合过程：两个超致密极端物态的星体以近光速的碰撞（如下图所示）。

为了直接探测来自双中子星并合阶段的高频信号，领域内开展了一系列提高探测器千赫兹灵敏度的研究。由于千赫兹的灵敏度主要受限于光场量子涨落产生的量子噪声，初期的研究主要集中在使用不同的量子测量方案来提高探测器灵敏度。不同方案的构型仍然基于现有探测器的迈克尔逊激光干涉仪。如下图所示，其核心部分是传统的迈克尔逊干涉仪，附加用于增加等效臂长的光学谐振腔。与其他谐振系统一样，光腔只能放大其带宽范围内的信号，而公里量级高精度光腔的带宽通常只有几十赫兹。这意味着高频引力波信号不仅没有被放大，反而被抑制了，以至于极低的光学损耗也对信号产生非常大的影响。即使增加干涉仪的臂长，也无法改善探测器灵敏度。光学损耗引起的量子极限成为限制基于迈克尔逊范式的千赫兹引力波探测器的关键因素。

伯明翰大学的张腾助理教授、加拿大圆周理论所的杨桓副教授与缪海兴提出了一种超越迈克尔逊范式的新型干涉仪构型。如上图所示，该构型不再在两臂中各设置一个谐振腔，而是将其合并成一个L形的谐振腔。它巧妙利用了光场受引力波作用对时间和空间的依赖。当引力波波长正好等于两倍的腔长时，引力波振幅改变符号的同时光也改变了传播的方向，使得引力波对光场的作用得以累加。信号频率正好与光腔的共振频率重合，高频引力波的信号得以相干放大，光学损耗导致的量子极限也就不再显著。

左图是不同探测器的噪声曲线比较。噪声曲线的幅值越低代表探测器在相应频段的灵敏度越高。右图是事件率的比较。不同颜色代表不同的中子星物态模型，误差棒来自于对双中子星事件率估计的不确定度。

基于这一构型，研究团队提出了25公里的千赫兹探测器设计。如上图所示，在2至4千赫兹的范围内，这种新探测器的设计灵敏度明显优于第二代探测器及其他第三代的探测器，包括欧洲10公里臂长的Einstein Telescope (ET)以及美国公里20和40公里的Cosmic Explorer (CE)。根据最新的双中子星事件率估计，并考虑几种具有代表性的中子星状态方程，新探测器能够测到信噪比大于5的并合事件率可达1至10个。

此项研究工作突破了传统迈克尔逊范式的限制，为实现直接观测双中子星并合信号提供了全新的思路。工作以“Gravitational-Wave Detector for Postmerger Neutron Stars: Beyond the Quantum Loss Limit of the Fabry-Perot-Michelson Interferometer”为题发表在最新一期的Physical Review X上。文章的作者依次为伯明翰大学的张腾助理教授、加拿大圆周理论所的杨桓副教授、伯明翰大学的Denis Matynov教授、伯明翰大学的Patricia Schmidt副教授以及清华大学的缪海兴副教授。张腾、杨桓和缪海兴为通讯作者。伯明翰研究组得到了英国伯明翰引力波天文学研究所、英国科学技术基础设施理事会、英国工程与自然科学研究理事会的经费支持。杨桓的研究得到了加拿大圆周理论研究所的支持。缪海兴得到了清华大学人才引进经费、低维量子物理国家重点实验室，以及量子信息前沿科学中心的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.021019