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麻省理工学院的“光挤压器”降低了激光中的量子噪声,提高了

便携式系统提高激光精度,在室温下

麻省理工学院的物理学家设计了一种量子光挤压器。这能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,被安置在一个真空室中,里面有两面镜子,其中一面的直径比人的头发丝还小。较大的一面镜子是固定的,而另一面则是可移动的,由弹簧状的悬臂悬挂着。

第二种纳米机械的形状和构成镜子是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。

这个结果的重要性在于,你可以设计这些机械系统,使它们在室温下仍然具有量子力学性质。麻省理工学院(MIT)物理学副教授、大理石教授奈尔吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说。这完全改变了游戏规则,不仅在我们自己的实验室里,在大型低温冰箱里,而且在全世界都可以使用这些系统。

这个团队在本月的《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。这篇论文的第一作者是南希·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“;showstopper”

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,在这种有序的结构中,激光中的单个光子以量子涨落的形式存在一些随机性,在物理学中也称为射噪声。

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。

这两个值都是。激光的光子数量和时间。确定研究人员如何精确地解释激光测量。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种物理约束。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,可以用一个理论圆来表示。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。一个椭圆本;挤扁的圆;表示一种性质的不确定度较小,另一种性质的不确定度较大,这取决于激光量子性质的圆和不确定度的比率是如何被操纵的。

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,科学家们不可能同时知道给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,从而引起抖动。这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10开氏度(-440华氏度)左右。

当你需要低温制冷时,你不能有便携的、紧凑的挤压机。Mavalvala说。这可能是一个亮点,因为你不可能在一个大冰箱里有一个挤压器,然后把它用在一个实验或一些现场操作的设备上。

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。

无序的材料很容易失去能量,因为在很多地方电子可以碰撞和产生热运动。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。悬臂和多层反射镜的形状也被设计成吸收最小的热能。可移动镜面和悬臂都是科尔和他的同事在水晶镜面解决方案公司制作的,该公司最近收购,现在是Thorlabs Inc.的一部分,放置在一个固定的镜面腔内。

然后,该系统被安装在路易斯安那州立大学corbitt小组建造的激光实验中,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。这一特性使研究小组能够识别激光,从而将其量子噪声降低15%,从而产生更精确的压缩激光。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。

随着光机械压榨机越来越实用,这是它开始的工作。Mavalvala说。这说明我们知道如何在室温下制造不含波长的压缩器。随着实验和材料的改进,我们将会生产出更好的压气机。

参考文献:室温光机械挤压作者:Nancy Aggarwal, Torrey J. Cullen, Jonathan Cripe, Garrett D. Cole, Robert Lanza, Adam Libson, David Follman, Paula Heu, Thomas Corbitt和Nergis Mavalvala,自然物理,2020年7月7日。

DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 0877 - x

这项研究部分由美国国家科学基金会资助。

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