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光挤压器可增强量子计算和重力波检测

更新时间:2020-09-12 16:21点击:

  麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光压缩器”,可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,使其适用于紧凑的便携式设置,可以将其添加到高精度实验中,以改善量子噪声是限制因素的激光测量。

光挤压器可增强量子计算和重力波检测

  新型压榨器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关键。当激光束进入空腔时,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,使研究人员能够设计出腔内的光,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。

  麻省理工学院大理石教授兼物理副主任纳吉斯·马瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)说:“结果的重要性在于,您可以对这些机械系统进行工程设计,使其在室温下仍具有量子力学性能。” “这不仅改变了游戏的使用能力,而且不仅可以在我们自己的实验室中使用这些系统,这些系统安装在大型低温冰箱中,而且可以在全球范围内使用。”

  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,激光器的各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)决定了研究人员如何准确地解释激光测量值。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种物理约束,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理论圆。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的量子特性的不确定性比率。

  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激光轻微移动。镜子可以由于组成光的光子施加的力而移动,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。

  到目前为止,光机械压缩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挤压器,”马瓦瓦拉说。“这可能是一个突破,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。”

  由阿格瓦瓦尔(Aggarwal)领导的团队希望设计一种光机械系统,该系统的可移动反射镜由本质上吸收很少热能的材料制成,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。

  Aggarwal说:“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。” “一种材料越有序,越纯净,它失去或消散能量的地方就越少。”

  该团队使用一个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。可移动镜和悬臂都是由Cole和他的Crystalline Mirror Solutions公司的同事制造的,并放置在带有固定镜的腔中。

  然后将该系统安装在路易斯安那州立大学Corbitt研究小组进行的激光实验中,研究人员在那里进行了测量。使用新的压模器,研究人员能够表征光子数量随时间变化的量子波动,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。

  “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与室温无关的,与波长无关的挤压器。随着我们改进实验和材料,我们将制造出更好的挤压器。”


光挤压器可增强量子计算和重力波检测