量子噪声比及高频引力波探测中的热力学前沿

我们引入一种诊断工具——量子噪声比 $\beta$——用于确定通过量子增强实现的最大灵敏度提升。应用于高频（kHz-GHz）探测器的布局后，此诊断揭示了通过潮汐耦合工作的共振质量探测器在约 230 MHz 以下的所有频率上都处于热主导状态（$\beta \approx 0$），在稀释温度下 squeezing 和纠缠增强效果受限。只有在热力学前沿之后，定义为 $\hbar \omega = k_B T \ln 3$，量子体系才变得可及。我们识别了一个具体实现：1 GHz 频率、10 mK 温度的声学波共振器（$\beta = 0.98$），并提出通过电路 QED 读取实现 squeeze 声子态的引力波探测器。拥有 $10^4$ 个此类共振器、进行 10 dB 机械 squeeze 的阵列可达 $\sqrt{S_h} = 2.1 \times 10^{-22}/\sqrt{\rm Hz}$——仍比 1 GHz 处 BBN 随机背景的界限低 $10^{12}$ 倍，表明灵敏度鸿沟主要仍源于经典因素，仍需同步推进经典探测器参数。