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光量子挤压器:室温下低落量子噪声的新技能

来源:新闻门户     作者:华夏门户     浏览:次     发布时间:2020-10-16
摘要:光量子挤压器:室温下低落量子噪声的新技能量子噪声,作者:影象的陈迹;最近,麻省理工学院LIGO尝试室主导的一……

最近,麻省理工学院LIGO尝试室主导的一个科研团队设计了一种光量子挤压器,第一次在室温下将入射激光束的量子噪声低落15%,到达低于尺怀抱子极限的程度。这是第一种可以在室温下事情的光挤压器,它将能进一步改造受量子噪音限制的高精度激光丈量与调制,在量子计较和引力波探测等规模举办更准确的丈量。相关成就颁发在近期的《自然·物理》杂志上。

这种光量子挤压器的焦点结构是一个只有弹珠巨细的光学共振腔。共振腔安放在真空室中,包括两面镜子,个中较大的镜片是牢靠的,而另一个较小的镜片则是整个系统的焦点部件,它比一根头发丝的直径还小,质量仅为50纳克,悬挂在一根弹簧状的悬臂上,可往返移动。一个光子就可以稍稍影响小镜片的举动状态。

光量子挤压器:室温下低落量子噪声的新技能

一束激光光子进入共振腔时,会在两面镜子之间往返反射。光子的辐射压对较小的镜片施加力的浸染,使之往返摆动,这样激光光子分开共振腔时就会处于一种非凡的挤压状态。

挤压光如何低落量子噪声?

激光中包括有大量光子,这些光子以同步的波的形式流出,发生豁亮、聚焦的光束。固然激光束整体上是有序且同步的波,但光子实际上是离散的粒子,这些单个的光子仍然具有必然的随机性。正如投掷大量硬币时,会有1/2的概率获得正面朝上,别的1/2的概率获得不和朝上,当投掷的次数较少时,正面或不和朝上的概率就会偏离1/2,也就是存在涨落。在任意给定的时间内,激光中达到探测器的的光子数量会环绕着一个平均值上下颠簸,这与它的振幅有关,存在难以预测的量子涨落。与此雷同,光子达到探测器的时间与它的相位有关,也会环绕着一个平均值上下颠簸。

个中,丈量光相位时的误差会发生散粒噪声,丈量光振幅时的误差会发生辐射压噪声。这两者合起来被称为量子噪声,它抉择了任何丈量可以实现的最高精度都不能高出尺怀抱子极限。

尺怀抱子极限的存在是海森堡不确定性道理的直接效果。按照这一道理,我们不行能同时准确地丈量一个物体的位置和动量。在单次的丈量中,环境确实如此。然而,当我们需要持续地丈量一个物体的位置时,丈量位置的行为会引入动量的不确定性,这会进一步演化为位置丈量的不确定性,这个进程被称作量子反浸染。当我们尽力在位置丈量的准确性和量子反浸染导致的不准确性之间衡量时,可以到达的最高精度就是尺怀抱子极限。

光是电磁场的引发,而电磁场可以被描写为两个振荡分量的组合:一个分量与电磁波的振幅有关,另一个与相位有关。这两者的涨落也遵循海森堡不确定性道理。对付光的过问干与丈量而言,只要振幅和相位的不确定性是互相不相关的,那么丈量精度的上限就是尺怀抱子极限。反之,假如让振幅和相位的不确定性之间存在关联,那么丈量的精度就可以大大提高,从而回避尺怀抱子极限的约束。

振幅和相位的不确定性存在关联的光被称为挤压光。对付挤压光而言,海森堡不确定性道理仍然合用,只是个中一种性质的不确定性低落,而另一种的不确定性增加了。假如将光的振幅和相位的不确定性用一个圆来暗示,一个完美的圆形暗示这两本性质具有同样的不确定性。当圆被挤压成椭圆时,就暗示个中一本性质具有较小的不确定性,而另一本性质具有较大的不确定性。

我们可以从差异角度挤压光,来改变这两种特性的不确定性的比率。譬喻对付下图中的光,相位的不确定性低落了,而振幅的不确定性增加了。当光的频率差异时,它大概以一种差异的方法被挤压,好比相位的不确定性增加,而振幅的不确定性低落。

光量子挤压器:室温下低落量子噪声的新技能

在室温下发生挤压光

那么,要如何发生挤压光呢?个中一种方法就是通过光量子挤压器这样的光机器系统。

光进入共振腔时,与光的相位和振幅相关的量子涨落互相不相关。当入射光达到镜片时,光子的辐射压会对镜片施加力的浸染,这个力的巨细与给按时间内撞击镜片的光子数量成正比。另一方面,镜片在这段时间内移动的间隔与光子达到镜片的时间有关,因而导致光波产生相位的移动。虽然,我们无法同时知道一段时间内达到镜面的光子数量和时间的准确值,但通过这个系统,可以成立振幅和相位这两个量子特性之间的关联,进而调解它们的不确定性的比率,并低落整体的量子噪声。这样,当光分开共振腔时就酿成了挤压光。

光量子挤压器:室温下低落量子噪声的新技能

责任编辑:华夏门户
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