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[新浪科技综合]光量子挤压器：室温下降低量子噪声的新技术新浪科技综合2020-08-17 12:25:350阅

来源： 返朴
最近 ， 麻省理工学院LIGO（激光干涉引力波天文台）实验室主导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 。 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 。
这种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（1纳克为10-9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 。
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图1/6光量子挤压器艺术图 | 来源：Christine Daniloff ，MIT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 。
挤压光如何降低量子噪声？
激光中包含有大量光子 ， 这些光子以同步的波的形式流出 ， 产生明亮、聚焦的光束 。 虽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一定的随机性 。 正如抛掷大量硬币时 ， 会有1/2的概率得到正面朝上 ， 另外1/2的概率得到背面朝上 ， 当抛掷的次数较少时 ， 正面或背面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 ， 激光中到达探测器的的光子数量会围绕着一个平均值上下波动 ， 这与它的振幅有关 ， 存在难以预测的量子涨落 。 与此类似 ， 光子到达探测器的时间与它的相位有关 ， 也会围绕着一个平均值上下波动 。
其中 ， 测量光相位时的误差会产生散粒噪声 ， 测量光振幅时的误差会产生辐射压噪声 。 这两者合起来被称为量子噪声 ， 它决定了任何测量可以实现的最高精度都不能超过标准量子极限 。
标准量子极限的存在是海森堡不确定性原理的直接后果 。 根据这一原理 ， 我们不可能同时精确地测量一个物体的位置和动量 。 在单次的测量中 ， 情况确实如此 。 然而 ， 当我们需要连续地测量一个物体的位置时 ， 测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测量的不确定性 ， 这个过程被称作量子反作用（quantum back action） 。 当我们努力在位置测量的精确性和量子反作用导致的不精确性之间权衡时 ， 可以达到的最高精度就是标准量子极限 。
光是电磁场的激发 ， 而电磁场可以被描述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原理 。 对于光的干涉测量而言 ， 只要振幅和相位的不确定性是彼此不相关的 ， 那么测量精度的上限就是标准量子极限 。 反之 ， 如果让振幅和相位的不确定性之间存在关联 ， 那么测量的精度就可以大大提高 ， 从而回避标准量子极限的约束 。
振幅和相位的不确定性存在关联的光被称为挤压光 。 对于挤压光而言 ， 海森堡不确定性原理仍然适用 ， 只是其中一种性质的不确定性降低 ， 而另一种的不确定性增加了 。 如果将光的振幅和相位的不确定性用一个圆来表示 ， 一个完美的圆形表示这两个性质具有同样的不确定性 。 当圆被挤压成椭圆时 ， 就表示其中一个性质具有较小的不确定性 ， 而另一个性质具有较大的不确定性 。
我们可以从不同角度挤压光 ， 来改变这两种特性的不确定性的比率 。 例如对于下图中的光 ， 相位的不确定性降低了 ， 而振幅的不确定性增加了 。 当光的频率不同时 ， 它可能以一种不同的方式被挤压 ， 比如相位的不确定性增加 ， 而振幅的不确定性降低 。
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图2/6未受到挤压的光（上）和相位被挤压的光（下）| 来源：<em>nature</em>在室温下产生挤压光
那么 ， 要如何产生挤压光呢？其中一种方式就是通过光量子挤压器这样的光机械系统 。
光进入共振腔时 ， 与光的相位和振幅相关的量子涨落彼此不相关 。 当入射光到达镜片时 ， 光子的辐射压会对镜片施加力的作用 ， 这个力的大小与给定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距离与光子到达镜片的时间有关 ， 因而导致光波发生相位的移动 。 当然 ， 我们无法同时知道一段时间内到达镜面的光子数量和时间的精确值 ， 但通过这个系统 ， 可以建立振幅和相位这两个量子特性之间的关联 ， 进而调整它们的不确定性的比率 ， 并降低整体的量子噪声 。 这样 ， 当光离开共振腔时就变成了挤压光 。
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图3/6当光在共振腔中传播时 ， 光子的辐射压会引起镜片的振动 ， 进而导致共振腔中的光波发生相位的移动 ， 这就让振幅和相位产生了量子关联 ， 当光离开共振腔时就变成了挤压光 。 | 来源：<em>Nature</em>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声的任何影响 。 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 。


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