Letpresser reducerer kvantestøj i lasere, kunne forbedre kvanteberegning og gravitationsbølgedetektion

Fysikere ved MIT har designet en kvante "lys squeezer", der reducerer kvantestøj i en indkommende laserstråle med 15 procent. Det er det første system af sin art, der fungerer ved stuetemperatur, gør den modtagelig for en kompakt, bærbart setup, der kan føjes til højpræcisionseksperimenter for at forbedre lasermålinger, hvor kvantestøj er en begrænsende faktor.

Hjertet i den nye squeezer er et optisk hulrum i marmorstørrelse, anbragt i et vakuumkammer og med to spejle, hvoraf den ene er mindre end diameteren af ​​et menneskehår. Det større spejl står stille, mens det andet er bevægeligt, ophængt af en fjederlignende cantilever.

Formen og sammensætningen af ​​dette andet "nanomekaniske" spejl er nøglen til systemets evne til at arbejde ved stuetemperatur. Når en laserstråle trænger ind i hulrummet, den hopper mellem de to spejle. Kraften fra lyset får det nanomekaniske spejl til at svinge frem og tilbage på en måde, der gør det muligt for forskerne at konstruere lyset, der forlader hulrummet, til at have særlige kvanteegenskaber.

Laserlyset kan forlade systemet i en sammenklemt tilstand, som kan bruges til at foretage mere præcise målinger, for eksempel, inden for kvanteberegning og kryptologi, og i detekteringen af ​​gravitationsbølger.

"Vigtigheden af ​​resultatet er, at du kan konstruere disse mekaniske systemer, så de ved stuetemperatur, de kan stadig have kvantemekaniske egenskaber, " siger Nergis Mavalvala, marmorprofessoren og associeret fysikchef ved MIT. "Det ændrer spillet fuldstændig i forhold til at kunne bruge disse systemer, ikke kun i vores egne laboratorier, anbragt i store kryogene køleskabe, men ude i verden. "

Holdet har offentliggjort sine resultater i tidsskriftet Naturfysik . Avisens hovedforfatter er Nancy Aggarwal, en tidligere fysikstuderende i MIT LIGO Laboratory, nu postdoc ved Northwestern University. Andre medforfattere på papiret sammen med Mavalvala er Robert Lanza og Adam Libson ved MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, og Thomas Corbitt fra Louisiana State University; og Garrett Cole, David Follman, og Paula Heu fra Crystalline Mirror Solutions i Santa Barbara, Californien.

En kold "showstopper"

En laser indeholder masser af fotoner, der strømmer ud i synkroniserede bølger for at producere et lyst, fokuseret lysstråle. Inden for denne bestilte konfiguration, imidlertid, der er en smule tilfældighed blandt en lasers individuelle fotoner, i form af kvanteudsving, også kendt i fysik som "skudstøj".

For eksempel, antallet af fotoner i en laser, der når frem til en detektor på et givet tidspunkt, kan svinge omkring et gennemsnitligt antal, på en kvante måde, der er svær at forudsige. Ligeledes, det tidspunkt, hvor en foton ankommer til en detektor, relateret til dens fase, kan også svinge omkring en gennemsnitsværdi.

Begge disse værdier - antallet og timingen af ​​en lasers fotoner - bestemmer, hvor præcist forskere kan fortolke lasermålinger. Men ifølge Heisenberg -usikkerhedsprincippet, en af ​​de grundlæggende principper i kvantemekanikken, det er umuligt samtidig at måle både positionen (eller timingen) og momentum (eller antallet) af partikler på samme tid med absolut sikkerhed.

Forskere arbejder omkring denne fysiske begrænsning gennem kvanteklemning - ideen om, at usikkerheden i en lasers kvanteegenskaber, i dette tilfælde antallet og timingen af ​​fotoner, kan repræsenteres som en teoretisk cirkel. En perfekt rund cirkel symboliserer lige stor usikkerhed i begge egenskaber. En ellipse – en sammenklemt cirkel – repræsenterer en mindre usikkerhed for den ene ejendom og en større usikkerhed for den anden, afhængigt af hvordan cirklen, og forholdet mellem usikkerhed i en lasers kvanteegenskaber, er manipuleret.

En måde forskere har udført kvanteklemning på er gennem optomekaniske systemer, designet med dele, såsom spejle, som kan flyttes i en lille grad af indkommende laserlys. Et spejl kan bevæge sig på grund af kraften påført det af fotoner, der udgør lyset, og den kraft er proportional med antallet af fotoner, der rammer spejlet på et givet tidspunkt. Den afstand, spejlet bevægede sig på det tidspunkt, er forbundet med timingen af ​​fotoner, der ankommer til spejlet.

Selvfølgelig, videnskabsmænd kan ikke kende de præcise værdier for både antallet og timingen af ​​fotoner på et givet tidspunkt, men gennem denne form for system kan de etablere en sammenhæng mellem de to kvanteegenskaber, og derved presse usikkerheden og laserens samlede kvantestøj ned.

Indtil nu, optomekanisk klemning er blevet realiseret i store opstillinger, der skal anbringes i kryogene frysere. Det er fordi, selv ved stuetemperatur, den omgivende termiske energi er nok til at have en effekt på systemets bevægelige dele, forårsager en "jitter", der overvælder ethvert bidrag fra kvantestøj. For at afskærme mod termisk støj, forskere har været nødt til at køle systemer ned til omkring 10 Kelvin, eller -440 grader Fahrenheit.

"I det øjeblik du har brug for kryogen afkøling, du kan ikke have en bærbar, kompakt squeezer, " siger Mavalvala. "Det kan være en showstopper, fordi du ikke kan have en presser, der bor i et stort køleskab, og brug det derefter i et eksperiment eller en enhed, der fungerer i marken. "

Giver lyset et klem

Holdet, ledet af Aggarwal, ønskede at designe et optomekanisk system med et bevægeligt spejl lavet af materialer, der i sig selv absorberer meget lidt termisk energi, så de ikke behøver at køle systemet eksternt. De designede i sidste ende en meget lille, 70 mikron bredt spejl fra vekslende lag af galliumarsenid og aluminium galliumarsenid. Begge materialer er krystaller med en meget ordnet atomstruktur, der forhindrer indgående varme i at slippe ud.

"Meget uordnede materialer kan let miste energi, fordi der er mange steder, elektroner kan slå og kollidere og generere termisk bevægelse, " siger Aggarwal. "Jo mere ordnet og rent et materiale, jo færre steder skal den tabe eller sprede energi."

Holdet suspenderede dette flerlagsspejl med en lille, 55 mikron lang udkrager. Udkragnings- og flerlagsspejlet er også formet til at absorbere minimal termisk energi. Både det bevægelige spejl og cantilever blev fremstillet af Cole og hans kolleger hos Crystalline Mirror Solutions, og anbragt i et hulrum med et stationært spejl.

Systemet blev derefter installeret i et lasereksperiment bygget af Corbitts gruppe ved Louisiana State University, hvor forskerne lavede målingerne. Med den nye squeezer, forskerne var i stand til at karakterisere kvanteudsvingene i antallet af fotoner i forhold til deres timing, da laseren hoppede og reflekterede fra begge spejle. Denne karakterisering tillod teamet at identificere og derved reducere kvantestøj fra laseren med 15 procent, producerer et mere præcist "presset" lys.

Aggarwal har udarbejdet en plan for forskere til at adoptere systemet til enhver bølgelængde af indkommende laserlys.

"Efterhånden som optomekaniske pressere bliver mere praktiske, dette er arbejdet, der startede det, " siger Mavalvala. "Det viser, at vi ved, hvordan man laver disse stuetemperaturer, bølgelængde-agnostiske klemmere. Når vi forbedrer eksperimentet og materialer, vi laver bedre pressere."