麻省理工学院的“压光机”减少了激光中的量子噪声，增强了量子计算和引力波检测

MIT设计的微型“压缩器”可降低室温下激光器中的量子噪声。大理石大小的系统可以为量子计算和重力波检测提供更好的激光精度。下图显示了艺术家对系统的解释。

便携式系统提高了室温下的激光精度

麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光压缩器”，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，使其适用于紧凑，便携式的设置，可以将其添加到高精度实验中，以改善在量子噪声是限制因素的情况下进行激光测量的方法。

新压榨机的核心是一个大理石大小的光学腔，该腔位于真空室内，并包含两个镜子，其中一个小于人发的直径。较大的镜子静止不动，而另一个则可移动，并被弹簧状悬臂悬挂。

第二个“纳米机械”镜的形状和外观是系统在室温下工作的能力的关键。当激光束进入腔体时，它会在两个反射镜之间反射。光施加的力使纳米机械镜来回摆动，从而使研究人员能够设计出离开腔体的光，使其具有特殊的量子特性。

激光可以以压缩状态离开系统，该状态可用于进行更精确的测量，例如，在量子计算和密码学中以及在检测引力波时。

“结果的重要性在于您可以设计这些机械系统，以便在室温下它们仍具有量子力学性能，”麻省理工学院大理石教授兼物理副主任Nergis Mavalvala说。“这不仅改变了游戏的使用能力，而且不仅可以在大型冷冻冰箱中使用的我们自己的实验室中使用这些系统，而且还可以在全球范围内使用。”

该小组已在本月的《自然物理学》杂志上发表了其研究结果。该论文的主要作者是南希·阿格加瓦尔（Nancy Aggarwal），他曾是MIT LIGO实验室的物理学研究生，现在是西北大学的博士后。与Mavalvala一起在论文上发表的其他合著者是麻省理工学院的Robert Lanza和Adam Libson。路易斯安那州立大学的Torrey Cullen，Jonathan Cripe和Thomas Corbitt；加利福尼亚圣塔芭芭拉的Crystalline Mirror Solutions的Garrett Cole，David Follman和Paula Heu。

一个冷酷的“ showstopper”

激光器包含大量光子，这些光子以同步波的形式流出，以产生明亮的聚焦光束。但是，在这种有序配置中，激光器的单个光子之间存在一些随机性，以量子涨落的形式出现，在物理上也称为“散粒噪声”。

例如，在任何给定时间到达检测器的激光器中的光子数量可能以难以预测的量子方式在平均值附近波动。同样，光子到达检测器的时间（与其相位有关）也可能在平均值附近波动。

这两个值（激光光子的数量和时间）决定了研究人员对激光测量值的精确解释。但是根据海森堡不确定性原理（量子力学的基本原理之一），不可能同时绝对地同时测量粒子的位置（或时间）和动量（或数量）。

科学家们通过量子压缩来解决这一物理约束，即量子点的不确定性，在这种情况下，光子的数量和时间可以表示为一个理论圈。完美的圆形表示两个属性的不确定性相等。椭圆（一个压缩的圆）表示一种特性的不确定性较小，而另一种特性的不确定性较大，这取决于圆的处理方式以及激光器量子特性中不确定性的比率。

研究人员进行量子压缩的一种方法是通过光机械系统，该系统设计有诸如反射镜之类的部件，这些部件可以被入射的激光移动到很小的程度。镜子可以由于组成光的光子所施加的力而移动，并且该力与在给定时间入射到镜子的光子的数量成正比。镜子当时的移动距离与光子到达镜子的时间有关。

当然，科学家无法知道给定时间的光子数量和时间的精确值，但是通过这种系统，他们可以在两个量子特性之间建立关联，从而减少不确定性和激光器的整体量子噪音。

迄今为止，光机械挤压已经在需要容纳在低温冷冻机中的大型装置中实现。这是因为，即使在室温下，周围的热能也足以影响系统的可移动部件，从而引起“抖动”，从而抵消了量子噪声的任何影响。为了抵御热噪声，研究人员不得不将系统冷却至大约10开氏度（-440华氏度）。

“您需要低温冷却的那一刻，您就无法拥有便携式的紧凑型压榨机，”马瓦瓦拉（Mavalvala）说。“那可能是一台最畅销的产品，因为您不能将压榨器放在大冰箱中，然后将其用于实验或现场使用的某些设备中。”

轻挤

由阿格瓦瓦尔（Aggarwal）领导的团队希望设计一种光机械系统，该系统具有可移动镜面，该镜面由内在吸收很少的热能的材料制成，因此他们无需从外部冷却系统。他们最终用砷化镓和砷化铝镓的交替层设计了一个非常小的70微米宽的反射镜。两种材料都是具有非常有序的原子结构的晶体，可以防止任何进入的热量逸出。

“非常混乱的材料很容易失去能量，因为电子在很多地方会发生碰撞和碰撞并产生热运动，” Aggarwal说。“一种材料越有序和纯净，它损失或消散能量的地方就越少。”

该团队用一个55微米长的小悬臂悬吊了该多层镜。悬臂镜和多层镜也已成形为吸收最小的热能。可移动反射镜和悬臂都是由Crystal Mirror Solutions的Cole和他的同事制造的，最近被收购，现在是Thorlabs Inc.的一部分，并被放置在带有固定反射镜的空腔中。

然后，该系统被安装在路易斯安那州立大学Corbitt研究小组进行的激光实验中，研究人员在该实验中进行了测量。使用新的压模器，研究人员能够表征光子数量随时间的量子波动，因为激光在两个反射镜上反射并反射。这种特征使团队可以识别并从而将来自激光器的量子噪声降低15％，从而产生更精确的“压缩”光。

Aggarwal已经为研究人员制定了一个蓝图，可以将该系统用于任何波长的入射激光。

“随着光机械压榨机变得越来越实用，这就是开始的工作，” Mavalvala说。“这表明我们知道如何制作这些与波长无关的室温压缩器。随着实验和材料的改进，我们将制造出更好的压榨机。”

参考：Nancy Aggarwal，Torrey J.Cullen，Jonathan Cripe，Garrett D.Cole，Robert Lanza，Adam Libson，David Follman，Paula Heu，Thomas Corbitt和Nergis Mavalvala的“室温光机械挤压”，自然物理学，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。