光量子挤压器:室温下降低量子噪声的新技术

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  日前,麻省理工学院LIGO(激光干涉引力波天文台)实验室的一个科研团队设计了一种光量子挤压器(quantum light squeezer),第一次在室温下将入射激光束的量子噪声降低15%,达到低于标准量子极限的水平。
  据悉,这是第一种可以在室温下工作的光挤压器,它将能进一步改进受量子噪音限制的高精度激光测量与调制,在量子计算和引力波探测等领域进行更精确的测量。相关成果发表在近期的《自然·物理》杂志上。
  新光量子挤压器的核心构造是一个只有弹珠大小的光学共振腔。共振腔安置在真空室中,包含两面镜子,其中较大的镜片是固定的,而另一个较小的镜片则是整个系统的核心部件,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,可来回移动。一个光子就可以稍稍影响小镜片的运动状态。一束激光光子进入共振腔时,会在两面镜子之间来回反射。光子的辐射压对较小的镜片施加力的作用,使之来回摆动,这样激光光子离开共振腔时就会处于一种特殊的挤压状态。
  事实上,要在室温条件下实现挤压光是非常困难的,这是因为室温下周围环境中的热量已经足以影响系统的可移动部件,热量涨落造成的抖动会淹没量子噪聲的任何影响。在此之前,为了屏蔽热噪声,研究人员不得不将系统冷却到10开尔文(零下263摄氏度)左右。对低温的依赖无疑极大地限制了光量子挤压器的应用场景。
  目前,麻省理工学院LIGO实验室的研究人员已经将新光量子挤压器安装在LIGO的探测器上,用来研究干涉仪内激光产生的量子噪声。据了解,2015年9月14日,LIGO第一次探测到了两颗巨大黑洞碰撞产生的引力波。当两颗巨大的天体碰撞时,时空被有节奏地拉伸和压缩,如水中涟漪般传播出去,这就是引力波。
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