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“光压缩器”降低激光量子噪声,两大尖端领域或受益

美国麻省理工学院(MIT)的物理学家们设计了一种量子“光压缩器”,能够将入射激光束的量子噪声降低15%。这是首款能够在室温下工作的光压缩系统。

“光压缩器”降低激光量子噪声,两大尖端领域或受益

phys.org网站7月7日报道,《自然·物理学》杂志同日发文称,美国麻省理工学院(MIT)的物理学家们设计了一种量子“光压缩器”,能够将入射激光束的量子噪声降低15%。这是首款能够在室温下工作的光压缩系统。

研究人员利用基于该系统的紧凑、便携式装置,可完成高精度实验,突破激光测量技术的量子噪声限制。

新型光压缩器的核心是一个弹珠大小的光学腔,它与两个光学镜一道被安装在真空室中。稍大一点的光学镜是固定的,另一面稍小的光学镜由悬臂悬挂,是能够移动的。

活动“纳米力学”镜的形状和构成是系统能够在室温下工作的关键。激光束进入光学腔后,会在两面镜子之间反射。光产生的作用力使纳米反射镜来回摆动。由此,研究人员能够得到具有特殊量子特性的光。

激光以压缩态离开系统,可用于高精度测量实验,例如量子计算、密码学和引力波探测等。MIT物理学副主任Nergis Mavalvala教授说:“我们设计的机械系统,能够使光在室温下维持量子力学特性,这将对物理学领域产生重大影响。”

激光包含大量光子,光子以同步波形式流出,从而产生明亮、聚焦的光束。然而,在这个有序系统中,激光束中的单个光子仍以量子涨落的形式,保有部分随机性。这就是物理学中的“散粒噪声”。

激光光子的数量和时间,这两个参数决定了激光测量结果的精确度。根据海森堡测不准原理,研究人员无法同时准确测定粒子的位置(或时间)和动量(或数量)。于是,研究人员选择用量子压缩来绕过这个物理学限制。实现量子压缩的方法之一是使用光学机械系统。

当然,科学家们无法确定特定时间内光子数量和时间的精确值。但借助这种系统,他们得以建立两种量子特性之间的关联,从而降低不确定性和激光的整体量子噪声。

然而,此前的光学机械压缩系统必须和大型低温装置配套使用,以屏蔽环境热能对系统活动部件的影响。为了抑制热噪声,研究人员甚至不得不将系统冷却至10开尔文左右。Mavalvala教授解释说:“在引入低温冷却装置的那一刻,便决定了你不可能制造出便携式、紧凑型光压缩器。”

在新项目中,论文作者、现为美国西北大学博士后研究员的Nancy Aggarwal等用低吸热材料砷化镓和铝砷化镓设计、制造了一种光学机械系统。这两种材料都是具备有序原子结构的晶体,可以阻止任何进入热量的散失。

Aggarwal说:“高度无序的材料很容易失去能量,因为材料中有很多区域可供电子进行热运动。材料越有序、越纯净,失去或耗散能量的可能性就越小。”Aggarwal表示,新系统有望应用于任何波长的入射激光。

Mavalvala教授展望说:“随着实验方式和材料的优化,我们能够制造出性能更好的光压缩器。”

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