物理学者は記録に光を絞りました

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ビデオ: 【高校物理】 波動34 光学的距離、薄膜の干渉 (25分) 2022, 12月
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重力物理学研究所(ライプニッツ大学)の物理学者は、光の量子状態の記録的な圧縮を達成しました。科学者は、従来の測定における変動の値と比較して、振幅変動の32分の1の削減を達成しました。これは前の記録より1.5倍良いです。このようなスクイーズド状態は、たとえば重力波検出器で使用され、機器の感度と精度を向上させます。この研究はジャーナルPhysicalReview Lettersに掲載されており、Physicsによって簡単に報告されています。

絞られた光の状態は、ハイゼンベルグの不確定性に直接関係しています。量子世界のこの特性により、特定の粒子パラメータのペアを必要な精度で測定することはできません。古典的な例は、位置と運動量の不確実性です。正確な位置を知るためには、粒子の運動量に関する知識を犠牲にする必要があり、その逆も同様です。同様に、光子の場合、その振動の振幅と位相の両方を同時に正確に決定することは不可能です。その結果、波面を測定したり干渉パターンを取得したりしようとすると、量子ゆらぎがデータに干渉します。

たとえば、干渉測定の場合、位相の不確かさが精度に大きな影響を及ぼします。したがって、振動振幅に関するデータを犠牲にすることができます。このような測定のために、科学者は光子を生成および検出するための特別な技術を開発しています。 「スクイーズド」という用語は、従来の光子測定誤差のスポットがどのように見えるかを指します。大きくて細長い振幅変動とスクイーズド位相変動です。 GEO600重力波検出器にスクイーズド光を使用することで、精度を3、4倍に高めることができました。

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カー効果を伴う非線形光学媒体における光圧縮スキーム。半径ベクトルの長さは光子の振動の振幅を示し、角度は位相を示します。

原則として、非線形光学現象を使用してスクイーズド光を生成します。たとえば、自発的パラメトリック散乱として知られる、最初の半分のエネルギーを持つ1つの光子を2つの新しい光子に変換します。このプロセスの結果として、物理学者は2つの高度に相関した粒子を取得します。この相関関係に関する情報は、量子ノイズを低減し、精度を向上させるために使用されます。最大圧縮比は、光子の損失(光学デバイスの散乱と不完全性による)と検出器の固有ノイズの2つのプロセスによって制限されます。したがって、物理学者は、圧搾された光子を取得するための最も信頼性の高いスキームの構築に努めています。

新しい記録は、従来の測定と比較して、スクイーズド光の変動が32分の1に減少したことに対応しています。興味深いことに、以前の記録も新しい研究の著者によって設定されました-それは変動の19分の1の減少に対応しました。結果は、1064ナノメートルの波長の赤外線を使用して得られました。これは、現代の重力波観測所で使用されている波長です。

以前、コラボレーションのメンバーであるSergey Vyatchaninは、スクイーズド光の光源と検出器の開発、および重力波LIGOの検出器でそれらを使用する可能性について話しました。重力波観測所は、腕の長さが数百メートル、さらには数キロメートルの巨大な干渉計です。重力波(空間のメトリックの変動)が通過する場合、光は片方または両方のアームで位相シフトを持ちます。これは、2つのアームからのビームの追加による干渉パターンに影響します。

検出器の最新の精度により、重力波の2つのイベントを記録することが可能になりました(1、2)。それらのそれぞれは、レベルh = 1×10-21で腕の長さに違いをもたらしました。 4キロメートルのLIGOアームの場合、この違いは原子核のサイズに匹敵します。

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