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“光压缩器”可以降低激光中的量子噪声,可以增强量子计算和

麻省理工学院的物理学家们设计了一种量子“光挤压器”,可以将入射激光束中的量子噪声降低15%。这是同类系统中第一个在室温下工作的系统,这使得它适合于一个紧凑、便携的装置,可以添加到高精度实验中,以改善量子噪声是限制因素的激光测量。

这种新型挤压器的核心是一个弹珠大小的光学腔,安置在一个真空室中,并包含两个镜子,其中一个的直径比人的头发还小。大一点的镜子是固定的,而另一面则是可移动的,由弹簧状的悬臂悬挂着。

这第二面“纳米力学”镜子的形状和构成是该系统能否在室温下工作的关键。当激光束进入腔内时,它会在两面镜子之间反射。光所产生的力使得纳米机械反射镜来回摆动,使得研究人员能够设计出具有特殊量子特性的光。

激光可以以压缩状态离开系统,这可以用来进行更精确的测量,例如量子计算和密码学,以及探测引力波。

“这个结果的重要性在于,你可以设计这些机械系统,使它们在室温下仍能具有量子力学特性,”麻省理工学院(MIT)物理学副主任、大理石教授奈吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说。“这完全改变了游戏规则,不仅仅是在我们自己的实验室里,在大型低温冰箱里,而是在全世界范围内使用这些系统。”

研究小组在《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。这篇论文的主要作者是南希·阿加瓦尔,她曾是麻省理工学院LIGO实验室的物理学研究生,现在是西北大学的博士后。与Mavalvala共同撰写这篇论文的还有麻省理工学院的Robert Lanza和Adam Libson;路易斯安那州立大学的Torrey Cullen, Jonathan Cripe和Thomas Corbitt;还有加州圣巴巴拉水晶镜面解决方案公司的加勒特·科尔、大卫·福尔曼和保拉·休。

一个寒冷的“奇观”

激光包含大量光子,这些光子以同步波的形式流出,从而产生明亮、聚焦的光束。然而,在这个有序的配置中,激光中的单个光子有一点随机性,以量子涨落的形式存在,在物理学中也被称为“射噪声”。

例如,在任意给定的时间到达探测器的激光中的光子数量可以在平均数量上下波动,这是一种难以预测的量子方式。同样的,光子到达检测器的时间,与它的相位有关,也可以在平均值上下波动。

这两个数值——激光光子的数量和时间——决定了研究人员如何精确地解释激光测量结果。但根据量子力学的基本原理之一海森堡测不准原理,绝对肯定地同时测量粒子的位置(或时间)和动量(或数量)是不可能的。

科学家们通过量子压缩来绕过这个物理约束——激光量子特性的不确定性,在这种情况下就是光子的数量和时间,可以用一个理论圈来表示。一个完全圆的圆象征着在这两个性质上都有同样的不确定性。一个椭圆——一个压缩的圆——表示一个性质的不确定性较小,另一个性质的不确定性较大,这取决于这个圆以及激光量子性质的不确定性比是如何被操纵的。

研究人员实现量子压缩的一种方法是通过光学机械系统,该系统由镜面等部件设计,这些部件可以被入射的激光移动到很小的程度。镜面之所以会移动,是因为构成光的光子对它施加的力,而这个力与在给定时间内撞击镜面的光子数量成正比。此时镜子移动的距离与光子到达镜子的时间有关。

当然,科学家无法知道特定时间内光子数量和时间的精确值,但通过这种系统,他们可以建立这两种量子特性之间的关联,从而降低不确定性和激光的整体量子噪声。

到目前为止,光机械压缩已经在需要安置在低温冷藏箱的大型装置中实现。这是因为,即使在室温下,周围的热能也足以对系统的活动部件产生影响,造成“抖动”,淹没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10开氏度(-440华氏度)左右。

Mavalvala说:“在你需要低温冷却的那一刻,你不可能有便携的、紧凑的挤压机。”“这可能是一个引人注目的亮点,因为你不能把一个挤压器放在大冰箱里,然后用它来做实验或在现场操作。”

挤光

这个由阿加瓦尔领导的团队试图设计出一种光学机械系统,该系统带有一面可移动的镜子,这种镜子由本质上吸收很少热能的材料制成,这样他们就不需要从外部冷却系统。他们最终设计了一个非常小的,70微米宽的砷化镓和铝砷化镓交替层反射镜。这两种材料都是具有有序原子结构的晶体,可以防止任何进入的热量散失。

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

该团队用55微米长的悬臂悬挂这个多层镜面。悬臂和多层镜子的形状也吸收了最小的热能。可移动的镜子和悬臂都是科尔和他的同事在水晶镜子解决方案,并放置在一个固定的镜子腔。

该系统随后被安装在路易斯安那州立大学Corbitt的团队建造的激光实验中,研究人员在那里进行了测量。有了新的挤压器,研究人员就能够描述当激光在两面镜子上反弹和反射时,光子数量和时间的量子涨落。这一特性使得研究小组能够识别并因此将激光的量子噪声降低15%,从而产生更精确的“压缩”光。

阿加瓦尔已经为研究人员绘制了一幅蓝图,将该系统应用于入射激光的任何波长。

Mavalvala说:“随着光学压榨机越来越实用,这项工作开始了。”“这表明我们知道如何制造这些室温不受波长影响的压缩器。”随着实验和材料的改进,我们将制造出更好的挤压器。”

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