麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家設(shè)計了一種量子“光壓縮器”，可將入射激光束中的量子噪聲降低15%。這是同類系統(tǒng)中第一個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驗中，以改善量子噪聲是限制因素的激光測量。

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

第二個“納米機械”鏡的形狀和外觀是系統(tǒng)在室溫下工作的關(guān)鍵。當(dāng)激光束進入空腔時，它會在兩個反射鏡之間反射。光施加的力使納米機械鏡來回擺動，使研究人員能夠設(shè)計出腔內(nèi)的光，使其具有特殊的量子特性。

激光可以以壓縮狀態(tài)離開系統(tǒng)，該狀態(tài)可用于進行更精確的測量，例如，在量子計算和密碼學(xué)中以及在檢測引力波時。

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：“結(jié)果的重要性在于，您可以對這些機械系統(tǒng)進行工程設(shè)計，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驗室中使用這些系統(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。”

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實驗室的物理學(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，激光器的各個光子之間存在一些隨機性，以量子漲落的形式出現(xiàn)，在物理上也稱為“散粒噪聲”。

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

這兩個值(激光光子的數(shù)量和時間)決定了研究人員如何準(zhǔn)確地解釋激光測量值。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)，不可能同時絕對地同時測量粒子的位置(或時間)和動量(或數(shù)量)。

科學(xué)家們通過量子壓縮來解決這種物理約束，即量子點的不確定性，在這種情況下，光子的數(shù)量和時間可以表示為理論圓。完美的圓形表示兩個屬性的不確定性相等。橢圓(一個壓縮的圓)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。

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

當(dāng)然，科學(xué)家無法知道給定時間的光子數(shù)量和時間的精確值，但是通過這種系統(tǒng)，他們可以在兩個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，光機械壓縮已經(jīng)在需要容納在低溫冷凍機中的大型裝置中實現(xiàn)。這是因為，即使在室溫下，周圍的熱能也足以影響系統(tǒng)的可移動部件，從而引起“抖動”，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開氏度(-440華氏度)。

“您需要低溫冷卻的那一刻，您就無法擁有便攜式的緊湊型擠壓器，”馬瓦瓦拉說。“這可能是一個突破，因為您不能將壓榨器放在大冰箱中，然后將其用于實驗或現(xiàn)場使用的某些設(shè)備?！?/p>

輕擠

由阿格瓦瓦爾(Aggarwal)領(lǐng)導(dǎo)的團隊希望設(shè)計一種光機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)的可移動反射鏡由本質(zhì)上吸收很少熱能的材料制成，因此他們無需從外部冷卻系統(tǒng)。他們最終用砷化鎵和砷化鋁鎵的交替層設(shè)計了一個非常小的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，可以防止任何進入的熱量逸出。

Aggarwal說：“非常混亂的材料很容易失去能量，因為電子在很多地方會發(fā)生碰撞和碰撞并產(chǎn)生熱運動。”“一種材料越有序，越純凈，它失去或消散能量的地方就越少?！?/p>

該團隊使用一個55微米長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。可移動鏡和懸臂都是由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研究小組進行的激光實驗中，研究人員在那里進行了測量。使用新的壓模器，研究人員能夠表征光子數(shù)量隨時間變化的量子波動，因為激光在兩個反射鏡上反射并反射。這種特征使團隊可以識別并從而將來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藍圖，可以將該系統(tǒng)用于任何波長的入射激光。

“隨著光機械壓榨機變得越來越實用，這就是開始的工作，” Mavalvala說?！斑@表明我們知道如何制作與室溫?zé)o關(guān)的，與波長無關(guān)的擠壓器。隨著我們改進實驗和材料，我們將制造出更好的擠壓器?！?/p>