“光壓縮器”可將激光量子噪聲降低15%，兩大尖端領域或受益_風聞

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美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們設計了一種量子“光壓縮器”，能夠將入射激光束的量子噪聲降低15%。這是首款能夠在室温下工作的光壓縮系統。

室温光學機械壓縮光源對量子光應用的開發有促進作用。

phys.org網站7月7日報道，《自然·物理學》雜誌同日發文稱，美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們設計了一種量子“光壓縮器”，能夠將入射激光束的量子噪聲降低15%。這是首款能夠在室温下工作的光壓縮系統。

研究人員利用基於該系統的緊湊、便攜式裝置，可完成高精度實驗，突破激光測量技術的量子噪聲限制。

新型光壓縮器的核心是一個彈珠大小的光學腔，它與兩個光學鏡一道被安裝在真空室中。稍大一點的光學鏡是固定的，另一面稍小的光學鏡由懸臂懸掛，是能夠移動的。

活動“納米力學”鏡的形狀和構成是系統能夠在室温下工作的關鍵。激光束進入光學腔後，會在兩面鏡子之間反射。光產生的作用力使納米反射鏡來回擺動。由此，研究人員能夠得到具有特殊量子特性的光。

激光以壓縮態離開系統，可用於高精度測量實驗，例如量子計算、密碼學和引力波探測等。

MIT物理學副主任Nergis Mavalvala教授説：“我們設計的機械系統，能夠使光在室温下維持量子力學特性，這將對物理學領域產生重大影響。”

激光包含大量光子，光子以同步波形式流出，從而產生明亮、聚焦的光束。然而，在這個有序系統中，激光束中的單個光子仍以量子漲落的形式，保有部分隨機性。這就是物理學中的“散粒噪聲”。

激光光子的數量和時間，這兩個參數決定了激光測量結果的精確度。根據海森堡測不準原理，研究人員無法同時準確測定粒子的位置（或時間）和動量（或數量）。於是，研究人員選擇用量子壓縮來繞過這個物理學限制。實現量子壓縮的方法之一是使用光學機械系統。

當然，科學家們無法確定特定時間內光子數量和時間的精確值。但藉助這種系統，他們得以建立兩種量子特性之間的關聯，從而降低不確定性和激光的整體量子噪聲。

然而，此前的光學機械壓縮系統必須和大型低温裝置配套使用，以屏蔽環境熱能對系統活動部件的影響。為了抑制熱噪聲，研究人員甚至不得不將系統冷卻至10開爾文左右。

Mavalvala教授解釋説：“在引入低温冷卻裝置的那一刻，便決定了你不可能製造出便攜式、緊湊型光壓縮器。”

在新項目中，論文作者、現為美國西北大學博士後研究員的Nancy Aggarwal等用低吸熱材料砷化鎵和鋁砷化鎵設計、製造了一種光學機械系統。這兩種材料都是具備有序原子結構的晶體，可以阻止任何進入熱量的散失。

Aggarwal説：“高度無序的材料很容易失去能量，因為材料中有很多區域可供電子進行熱運動。材料越有序、越純淨，失去或耗散能量的可能性就越小。”Aggarwal表示，新系統有望應用於任何波長的入射激光。

Mavalvala教授展望説：“隨着實驗方式和材料的優化，我們能夠製造出性能更好的光壓縮器。”

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責編：程建蘭

期刊來源：《自然·物理學》

期刊編號：1745-2473

原文鏈接：

https://phys.org/news/2020-07-squeezer-quantum-noise-lasers-gravitational-wave.html

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