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麻省理工学院研究出“压光器”,可降低激光中的量子噪声

日前,麻省理工学院的物理学家们设计了一种量子“压光器”,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,适用于紧凑、便携的装置,从而可以添加到高精度实验中,以改善激光测量,因为量子噪声是其中的一个限制因素。

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,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。

激光可以在压缩态下离开系统,这可以用来进行更精确的测量,例如量子计算和密码学,以及引力波的探测。

图片来源:麻省理工学院

麻省理工学院物理学副主任奈吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说:“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。这完全改变了游戏规则,不仅是在我们自己的实验室里,在世界范围内的大型低温冰箱里都能使用这些系统。”

激光包含大量光子,它们在同步波中流动,产生明亮的聚焦光束。然而,在这个有序的结构中,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,在物理学中也被称为“散粒噪声”。例如,在任何给定时间到达探测器的激光中的光子数,都会以难以预测的量子方式在平均值上下波动。同样,光子到达探测器的时间,与其相位相关,也可能在平均值附近波动。

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,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解决这个物理约束,即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,理论上可以用圈来表示。在这两个性质中,一个完美的圆圈表示相同的不确定性。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,这取决于如何操纵圆和激光量子特性中的不确定度比。。

研究人员利用光学机械系统来实现量子压缩,该系统由镜面等部件设计而成,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。

目前,光机械压缩已经能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”,抵消量子噪声的影响。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。

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