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  • 可减少激光中量子噪声的“光压缩”装置

    作者:LabBang译 来源:物理学家组织网 时间:2020-07-10 11:42 阅读:549 [投稿]
    麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光挤压器”,可以将入射激光束中的量子噪声降低15%。这是第一个在室温下工作的同类系统,也是一种更为紧凑、便携的装置,可将其添加到高精度实验中,以改善限制激光测量因素的量子噪声。

    麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光挤压器”,可以将入射激光束中的量子噪声降低15%。这是第一个在室温下工作的同类系统,也是一种更为紧凑、便携的装置,可将其添加到高精度实验中,以改善限制激光测量因素的量子噪声。

    新装置的核心是一个大理石大小的光学腔,位于真空室中,包含两个反射镜,其中一个比人类头发的直径还小。较大的一面镜子静止不动,另一面则可移动,由弹簧状悬臂悬挂。

    第二个“纳米机械”反射镜的形状和组成是系统能否在室温下工作的关键。当激光束进入腔体时,它在两个反射镜之间反射。光所产生的力使纳米机械镜来回摆动,使研究人员能够设计出空腔的光具有特殊的量子特性。

    激光可以在压缩状态下离开系统,这可以用来进行更精确的测量,例如在量子计算和密码学中,以及在引力波的探测中。


    麻省理工学院教授兼物理学副主任Nergis Mavalvala说:“这个结果的重要性在于,你可以设计出这些机械系统,使它们在室温下仍然具有量子力学性质。这就彻底改变了游戏规则,不仅是在我们自己的实验室里,在大型低温冰箱里,而且在世界各地都能使用这些系统。”

    研究小组已经在《自然物理学Nature Physics》杂志上发表了研究结果。这篇论文的主要作者是Nancy Aggarwal,她曾是麻省理工学院LIGO实验室的物理研究生,现在是西北大学的博士后。与Mavalvalvala一起撰写这篇论文的还有麻省理工学院的Robert Lanza和Adam Libson at;路易斯安那州立大学的Torrey Cullen等人。

    激光包含大量光子,这些光子以同步波的形式流出,产生明亮的聚焦光束。然而,在这种有序的结构中,激光的单个光子之间有一点随机性,以量子涨落的形式存在,在物理学中也称为“散粒噪声”

    例如,激光中在任何给定时间到达探测器的光子数可以在一个平均数附近波动,以一种很难预测的量子方式。同样,光子到达探测器的时间,与其相位有关,也可以在平均值附近波动。

    这两个数值——激光光子的数量和时间——决定了研究人员解释激光测量结果的精确程度。但是,根据量子力学的基本原理之一海森堡不确定度原理,不可能同时绝对准确测量粒子的位置(或时间)和动量(或数量)。

    科学家们通过量子压缩来解决这一物理约束,即激光量子特性的不确定性,在这种情况下,光子的数量和时间,可以用一个理论圆来表示。一个完美的圆象征着两种性质的不确定性相等。椭圆-压缩圆表示一种性质的不确定性较小,而另一种性质的不确定性较大,这取决于如何操纵圆以及激光量子特性中的不确定性比率。

    研究人员实现量子压缩的一种方法是通过光学机械系统,这种系统设计有一些部件,如反射镜,这些部件可以被入射的激光在很小的程度上移动。由于构成光的光子施加在镜子上的力,镜子可以移动,而这个力与在给定时间撞击镜子的光子数成正比。此时反射镜移动的距离与光子到达反射镜的时间有关。

    当然,科学家不可能知道在给定时间内光子的数量和时间的精确值,但通过这种系统,他们可以建立两个量子特性之间的关联,从而降低不确定性和激光器的整体量子噪声。

    到目前为止,光机械压缩已经在大型装置中实现,这些装置需要存放在低温冷冻室中。这是因为,即使在室温下,周围的热能也足以对系统的可移动部分产生影响,从而产生一种“抖动”,它压倒了量子噪声的任何贡献。为了屏蔽热噪声,研究人员不得不将系统冷却到大约10开尔文,即-440华氏度。

    “在你需要低温冷却的那一刻,你不可能有一个便携式的,紧凑的挤压机,”Mavalvalvala说,“这可能是一个阻碍因素,因为你不可能在一个大冰箱里有一个压榨机,然后把它用于一个实验或一些在室外工作的设备上。”

    给光一个压缩

    由Aggarwal领导的研究小组试图设计一个光学机械系统,该系统带有一个可移动的反射镜,其材料本身吸收的热能很少,因此他们不需要在外部冷却系统。他们最终设计了一个非常小,70微米宽的镜子,由砷化镓和砷化镓铝层交替组成。这两种材料都是具有非常有序的原子结构的晶体,可以防止任何进入的热量逸出。

    “非常无序的材料很容易失去能量,因为有很多地方电子可以爆炸、碰撞并产生热运动,”Aggarwal说,“一种材料越是有序和纯净,它失去或耗散能量的地方就越少。”

    研究小组用一个55微米长的小悬臂把这个多层镜悬挂起来。悬臂和多层反射镜的形状也可以吸收最小的热能。可动反射镜和悬臂梁都是由Cole和他的同事在Crystal mirror Solutions公司制造的,并放置在一个带有固定反射镜的腔体中。

    随后,该系统被安装在路易斯安那州立大学的Corbitt小组建立的激光实验中,研究人员在那里进行了测量。有了新的压缩装置,研究人员能够描述光子数量随时间变化的量子涨落,因为激光在两个反射镜上反弹和反射。这种特性使研究小组能够识别并因此将激光产生的量子噪声降低15%,从而产生更精确的“压缩”光。

    Aggarwal已经为研究人员绘制了一个蓝图,让他们将该系统应用于任何波长的激光。

    “随着光机械压榨机变得更加实用,这就是开始它的工作,”Mavalvalvala说,“它表明我们已经知道如何在室温下制造多波长的压缩装置了。并且,随着我们改进实验和材料,我们也将能制造出更好的装置。” 

    原文链接:https://phys.org/news/2020-07-squeezer-quantum-noise-lasers-gravitational-wave.html

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