麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一種量子“光壓縮器”，可將入射激光束中的量子噪聲降低15%。這是同類(lèi)系統(tǒng)中第一個(gè)在室溫下工作的系統(tǒng)，使其適用于緊湊的便攜式設(shè)置，可以將其添加到高精度實(shí)驗(yàn)中，以改善量子噪聲是限制因素的激光測(cè)量。

新型壓榨器的核心是一個(gè)大理石大小的光學(xué)腔，該腔位于真空室內(nèi)，并包含兩個(gè)鏡子，其中一個(gè)小于人發(fā)的直徑。較大的鏡子靜止不動(dòng)，而另一個(gè)則可移動(dòng)，并被彈簧狀懸臂懸掛。

第二個(gè)“納米機(jī)械”鏡的形狀和外觀是系統(tǒng)在室溫下工作的關(guān)鍵。當(dāng)激光束進(jìn)入空腔時(shí)，它會(huì)在兩個(gè)反射鏡之間反射。光施加的力使納米機(jī)械鏡來(lái)回?cái)[動(dòng)，使研究人員能夠設(shè)計(jì)出腔內(nèi)的光，使其具有特殊的量子特性。

激光可以以壓縮狀態(tài)離開(kāi)系統(tǒng)，該狀態(tài)可用于進(jìn)行更精確的測(cè)量，例如，在量子計(jì)算和密碼學(xué)中以及在檢測(cè)引力波時(shí)。

麻省理工學(xué)院大理石教授兼物理副主任納吉斯·馬瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)說(shuō)：“結(jié)果的重要性在于，您可以對(duì)這些機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，使其在室溫下仍具有量子力學(xué)性能?！薄斑@不僅改變了游戲的使用能力，而且不僅可以在我們自己的實(shí)驗(yàn)室中使用這些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)安裝在大型低溫冰箱中，而且可以在全球范圍內(nèi)使用?！?/p>

該小組的研究結(jié)果發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上。該論文的主要作者是南希·阿格加瓦爾(Nancy Aggarwal)，他曾是MIT LIGO實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)研究生，現(xiàn)在是西北大學(xué)的博士后。與Mavalvala一起在論文上發(fā)表的其他合著者是麻省理工學(xué)院的Robert Lanza和Adam Libson。路易斯安那州立大學(xué)的Torrey Cullen，Jonathan Cripe和Thomas Corbitt;加州圣塔芭芭拉的Crystal Mirror Solutions的Garrett Cole，David Follman和Paula Heu。

冷酷的“ showstopper”

激光器包含大量光子，這些光子以同步波的形式流出，以產(chǎn)生明亮的聚焦光束。但是，在這種有序配置中，激光器的各個(gè)光子之間存在一些隨機(jī)性，以量子漲落的形式出現(xiàn)，在物理上也稱為“散粒噪聲”。

例如，在任何給定時(shí)間到達(dá)檢測(cè)器的激光器中的光子數(shù)量可能以難以預(yù)測(cè)的量子方式在平均值附近波動(dòng)。同樣，光子到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間(與其相位有關(guān))也可能在平均值附近波動(dòng)。

這兩個(gè)值(激光光子的數(shù)量和時(shí)間)決定了研究人員如何準(zhǔn)確地解釋激光測(cè)量值。但是根據(jù)海森堡不確定性原理(量子力學(xué)的基本原理之一)，不可能同時(shí)絕對(duì)地同時(shí)測(cè)量粒子的位置(或時(shí)間)和動(dòng)量(或數(shù)量)。

科學(xué)家們通過(guò)量子壓縮來(lái)解決這種物理約束，即量子點(diǎn)的不確定性，在這種情況下，光子的數(shù)量和時(shí)間可以表示為理論圓。完美的圓形表示兩個(gè)屬性的不確定性相等。橢圓(一個(gè)壓縮的圓)表示一種特性的不確定性較小，而另一種特性的不確定性較大，這取決于圓的處理方式以及激光器的量子特性的不確定性比率。

研究人員進(jìn)行量子壓縮的一種方法是通過(guò)光機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有諸如反射鏡之類(lèi)的部件，這些部件可以被入射激光輕微移動(dòng)。鏡子可以由于組成光的光子施加的力而移動(dòng)，并且該力與在給定時(shí)間入射到鏡子的光子數(shù)量成正比。鏡子當(dāng)時(shí)的移動(dòng)距離與光子到達(dá)鏡子的時(shí)間有關(guān)。

當(dāng)然，科學(xué)家無(wú)法知道給定時(shí)間的光子數(shù)量和時(shí)間的精確值，但是通過(guò)這種系統(tǒng)，他們可以在兩個(gè)量子特性之間建立關(guān)聯(lián)，從而減少不確定性和激光器的整體量子噪音。

到目前為止，光機(jī)械壓縮已經(jīng)在需要容納在低溫冷凍機(jī)中的大型裝置中實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)椋词乖谑覝叵拢車(chē)臒崮芤沧阋杂绊懴到y(tǒng)的可移動(dòng)部件，從而引起“抖動(dòng)”，從而抵消了量子噪聲的任何影響。為了抵御熱噪聲，研究人員不得不將系統(tǒng)冷卻至大約10開(kāi)氏度(-440華氏度)。

“您需要低溫冷卻的那一刻，您就無(wú)法擁有便攜式的緊湊型擠壓器，”馬瓦瓦拉說(shuō)。“這可能是一個(gè)突破，因?yàn)槟荒軐赫テ鞣旁诖蟊渲?，然后將其用于?shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)使用的某些設(shè)備?！?/p>

輕擠

由阿格瓦瓦爾(Aggarwal)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一種光機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)的可移動(dòng)反射鏡由本質(zhì)上吸收很少熱能的材料制成，因此他們無(wú)需從外部冷卻系統(tǒng)。他們最終用砷化鎵和砷化鋁鎵的交替層設(shè)計(jì)了一個(gè)非常小的70微米寬的反射鏡。兩種材料都是具有非常有序的原子結(jié)構(gòu)的晶體，可以防止任何進(jìn)入的熱量逸出。

Aggarwal說(shuō)：“非常混亂的材料很容易失去能量，因?yàn)殡娮釉诤芏嗟胤綍?huì)發(fā)生碰撞和碰撞并產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)?！薄耙环N材料越有序，越純凈，它失去或消散能量的地方就越少?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)55微米長(zhǎng)的小懸臂懸吊了該多層鏡。懸臂鏡和多層鏡也已成形為吸收最小的熱能?？梢苿?dòng)鏡和懸臂都是由Cole和他的Crystalline Mirror Solutions公司的同事制造的，并放置在帶有固定鏡的腔中。

然后將該系統(tǒng)安裝在路易斯安那州立大學(xué)Corbitt研究小組進(jìn)行的激光實(shí)驗(yàn)中，研究人員在那里進(jìn)行了測(cè)量。使用新的壓模器，研究人員能夠表征光子數(shù)量隨時(shí)間變化的量子波動(dòng)，因?yàn)榧す庠趦蓚€(gè)反射鏡上反射并反射。這種特征使團(tuán)隊(duì)可以識(shí)別并從而將來(lái)自激光器的量子噪聲降低15%，從而產(chǎn)生更精確的“壓縮”光。

Aggarwal已經(jīng)為研究人員制定了一個(gè)藍(lán)圖，可以將該系統(tǒng)用于任何波長(zhǎng)的入射激光。

“隨著光機(jī)械壓榨機(jī)變得越來(lái)越實(shí)用，這就是開(kāi)始的工作，” Mavalvala說(shuō)?！斑@表明我們知道如何制作與室溫?zé)o關(guān)的，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的擠壓器。隨著我們改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和材料，我們將制造出更好的擠壓器?！?/p>