麻省理工學院的物理學家設計了一種量子“光壓縮器”，可將入射激光束中的量子噪聲降低15%。這是同類系統中第一個在室溫下工作的系統，使其適用于緊湊的便攜式設置，可以將其添加到高精度實驗中，以改善量子噪聲是限制因素的激光測量。
新型壓榨器的核心是一個大理石大小的光學腔，該腔位于真空室內，并包含兩個鏡子，其中一個小于人發的直徑。較大的鏡子靜止不動，而另一個則可移動，并被彈簧狀懸臂懸掛。
第二個“納米機械”鏡的形狀和外觀是系統在室溫下工作的關鍵。當激光束進入空腔時，它會在兩個反射鏡之間反射。光施加的力使納米機械鏡來回擺動，使研究人員能夠設計出腔內的光，使其具有特殊的量子特性。
激光可以以壓縮狀態離開系統，該狀態可用于進行更精確的測量，例如，在量子計算和密碼學中以及在檢測引力波時。
麻省理工學院大理石教授兼物理副主任納吉斯·馬瓦瓦拉(Nergis Mavalvala)說：“結果的重要性在于，您可以對這些機械系統進行工程設計，使其在室溫下仍具有量子力學性能。”“這不僅改變了游戲的使用能力，而且不僅可以在我們自己的實驗室中使用這些系統，這些系統安裝在大型低溫冰箱中，而且可以在全球范圍內使用。”
該小組的研究結果發表在《自然物理學》雜志上。該論文的主要作者是南希·阿格加瓦爾(Nancy Aggarwal)，他曾是MIT LIGO實驗室的物理學研究生，現在是西北大學的博士后。與Mavalvala一起在論文上發表的其他合著者是麻省理工學院的Robert Lanza和Adam Libson。路易斯安那州立大學的Torrey Cullen，Jonathan Cripe和Thomas Corbitt;加州圣塔芭芭拉的Crystal Mirror Solutions的Garrett Cole，David Follman和Paula Heu。
冷酷的“ showstopper”
激光器包含大量光子，這些光子以同步波的形式流出，以產生明亮的聚焦光束。但是，在這種有序配置中，激光器的各個光子之間存在一些隨機性，以量子漲落的形式出現，在物理上也稱為“散粒噪聲”。
例如，在任何給定時間到達檢測器的激光器中的光子數量可能以難以預測的量子方式在平均值附近波動。同樣，光子到達檢測器的時間(與其相位有關)也可能在平均值附近波動。
這兩個值(激光光子的數量和時間)決定了研究人員如何準確地解釋激光測量值。但是根據海森堡不確定性原理(量子力學的基本原理之一)，不可能同時絕對地同時測量粒子的位置(或時間)和動量(或數量)。
科學家們通過量子壓縮來解決這種物理約束，即量子點的不確定性，在這種情況下，光子的數量和時間可以表示為理論圓。完美的圓形表示兩個屬性的不確定性相等。橢圓(一個壓縮的圓)表示一種特性的不確定性較小，而另一種特性的不確定性較大，這取決于圓的處理方式以及激光器的量子特性的不確定性比率。
研究人員進行量子壓縮的一種方法是通過光機械系統，該系統設計有諸如反射鏡之類的部件，這些部件可以被入射激光輕微移動。鏡子可以由于組成光的光子施加的力而移動，并且該力與在給定時間入射到鏡子的光子數量成正比。鏡子當時的移動距離與光子到達鏡子的時間有關。
當然，科學家無法知道給定時間的光子數量和時間的精確值，但是通過這種系統，他們可以在兩個量子特性之間建立關聯，從而減少不確定性和激光器的整體量子噪音。
到目前為止，光機械壓縮已經在需要容納在低溫冷凍機中的大型裝置中實現。這是因為，即使在室溫下，周圍的熱能也足以影響系統的可移動部件，從而引起“抖動”，從而抵消了量子噪聲的任何影響。為了抵御熱噪聲，研究人員不得不將系統冷卻至大約10開氏度(-440華氏度)。
“您需要低溫冷卻的那一刻，您就無法擁有便攜式的緊湊型擠壓器，”馬瓦瓦拉說。“這可能是一個突破，因為您不能將壓榨器放在大冰箱中，然后將其用于實驗或現場使用的某些設備。”
輕擠
由阿格瓦瓦爾(Aggarwal)領導的團隊希望設計一種光機械系統，該系統的可移動反射鏡由本質上吸收很少熱能的材料制成，因此他們無需從外部冷卻系統。他們最終用砷化鎵和砷化鋁鎵的交替層設計了一個非常小的70微米寬的反射鏡。兩種材料都是具有非常有序的原子結構的晶體，可以防止任何進入的熱量逸出。
Aggarwal說：“非常混亂的材料很容易失去能量，因為電子在很多地方會發生碰撞和碰撞并產生熱運動。”“一種材料越有序，越純凈，它失去或消散能量的地方就越少。”
該團隊使用一個55微米長的小懸臂懸吊了該多層鏡。懸臂鏡和多層鏡也已成形為吸收最小的熱能。可移動鏡和懸臂都是由Cole和他的Crystalline Mirror Solutions公司的同事制造的，并放置在帶有固定鏡的腔中。
然后將該系統安裝在路易斯安那州立大學Corbitt研究小組進行的激光實驗中，研究人員在那里進行了測量。使用新的壓模器，研究人員能夠表征光子數量隨時間變化的量子波動，因為激光在兩個反射鏡上反射并反射。這種特征使團隊可以識別并從而將來自激光器的量子噪聲降低15%，從而產生更精確的“壓縮”光。
Aggarwal已經為研究人員制定了一個藍圖，可以將該系統用于任何波長的入射激光。
“隨著光機械壓榨機變得越來越實用，這就是開始的工作，” Mavalvala說。“這表明我們知道如何制作與室溫無關的，與波長無關的擠壓器。隨著我們改進實驗和材料，我們將制造出更好的擠壓器。”
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