便携式系统在室温下提高激光精度

麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光线挤压器”,其将传入激光束中的量子噪声减少15%。它是在室温下工作的第一个系统,使其适用于可以添加到高精度实验的紧凑,便携式设置,以改善量子噪声是限制因素的激光测量。

新挤压器的心脏是大理石尺寸的光学腔,容纳在真空室中并包含两个镜子,其中一个镜子小于人头发的直径。较大的镜子静止,而另一个镜子是可移动的,由弹簧状悬臂悬挂。

第二“纳米机械”镜子的形状和化妆是系统在室温下工作能力的关键。当激光束进入腔时,它在两个镜子之间反弹。由光赋予的力使得纳米力学镜以允许研究人员将消除腔的光的方式来回摆动,以具有特殊量子特性。

激光可以以挤压状态从系统退出,这可以用于制作更精确的测量,例如在量子计算和密码学中,以及在重力波的检测中。

“结果的重要性是您可以在室温下工程,它们仍然可以具有量子的机械性能,”大理石教授和麻省理工学院的物理负责人联系。 “这完全改变了游戏,就能够使用这些系统,而不仅仅是在我们自己的实验室,容纳在大型低温冰箱中,但在世界上。”

该团队今天在期刊上发表了结果 自然物理学。本文的潜在文作者是南希阿里·普尔沃尔,这是MIT Ligo实验室的前物理研究生,现在是西北大学的博士。纸上的其他共同作者与米瓦拉一起是罗伯特兰萨和亚当·基布森的麻省理工学院;托雷卡伦,乔纳森施工和路易斯安那州立大学的托马斯科特布特;和加利福尼亚州圣巴巴拉的晶体镜面解决方案的Garrett Coleman,David Follman和Paula Heu。

一个寒冷的“showstopper”

激光器包含在同步波中流出的群,以产生明亮的聚焦光束。然而,在这个有序的配置中,激光单独的光子之间存在一点随机性,以量子波动的形式,物理学中也称为“射击噪声”。

例如,在任何给定时间到达检测器的激光器中的光子的数量可以以难以预测的量子方式围绕平均数量波动。同样,光子到达检测器的时间,与其相位相关,也可以围绕平均值波动。

这两个值 - 激光器光子的数量和时间 - 确定研究人员如何解释激光测量。但根据Heisenberg不确定原理,量子力学的基础原则之一,不可能在绝对确定的同时同时测量颗粒的位置(或时序)和动量(或数量)。

科学家通过量子挤压围绕这种物理限制来解决 - 在这种情况下,激光量子特性中的不确定性的想法,在这种情况下,光子的数量和定时可以表示为理论圆。一个完美的圆圈象征在两个属性中的平等不确定性。椭圆 - 挤压的圆圈 - 表示一个性质的不确定性和对方的更大的不确定性,具体取决于如何操纵圆圈和不确定的比率。

一种方法研究人员已经通过光学力学系统进行了量子挤压,设计有零件,例如镜子,可以通过进入的激光移动到微小程度。由于构成光的光子,镜子可能由于施加在其上的力而导致的,并且该力与在给定时间撞击镜子的光子的数量成比例。当时镜子移动的距离连接到到达镜子的光子的定时。

当然,科学家无法知道给定时间的光子的数量和时序的精确值,但通过这种系统,它们可以在两个量子特性之间建立相关性,从而挤压不确定性和激光的总量子噪音。

到目前为止,在需要容纳在低温冷冻机中的大型设置中已经实现了光学力学挤压。也就是说,即使在室温下,周围的热能也足以对系统的可移动部件产生影响,从而使“抖动”压倒地源于量子噪声。为了防止热噪声,研究人员必须将系统冷却至约10个开尔文,或-440华氏度。

“你需要低温冷却的分钟,你不能有一个便携式紧凑的挤压器,”Mavalvala说。 “这可以是一个展示者,因为你不能有一个挤压仪,在大冰箱里生活,然后在实验中使用它或在现场操作的一些设备。”

放轻挤

该团队由Aggarwal领导,看着设计一个具有由材料制成的可移动镜子的光学力学系统,该系统由本质上吸收非常小的热能,因此它们不需要在外部冷却系统。他们最终设计了一个非常小,70微米的镜子,从砷化镓和铝镓砷化镓层。两种材料都是具有非常有序原子结构的晶体,其防止任何进入的热量逃逸。

“非常无序的材料很容易失去能量,因为有很多地方电子可以爆炸并碰撞并产生热运动,”Aggarwal说。 “更有序和纯净的材料,失去或消散能量的较少的地方。”

该团队将这款多层镜子悬挂,带有一个小55微米长的悬臂。悬臂和多层镜也成形为吸收最小的热能。可移动镜子和悬臂都是由COLE和他的晶体镜面解决方案的同事制造的,最近获得的,现在是Thorlabs Inc的一部分,并将其放置在具有固定镜的腔中。

然后将该系统安装在路易斯安那州立大学Corbitt群组建造的激光实验中,研究人员进行了测量。利用新的挤压器,研究人员能够表征光子数量与它们的时序中的量子波动,因为激光弹跳并反射两个镜子。该表征允许团队识别,从而将量子噪声从激光缩短15%,产生更精确的“挤压”光。

Aggarwal已经为研究人员制造了一个蓝图,用于采用系统的任何波长的进入激光。

“随着光学力学挤压器变得更加实用,这是开始它的工作,”麦拉拉说。 “它表明,我们知道如何使这些室温,波长无障碍挤压器。随着我们改善实验和材料,我们将越来越好挤压。“

该研究部分由美国国家科学基金会提供资金。

詹妮弗楚|麻省理工学院新闻办公室

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