オプトメカニカルシステムは、室温での量子ノイズを低減しました

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オプトメカニカルシステムは、室温での量子ノイズを低減しました
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Anonim
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設置の主な要素は、2つのミラー、ビームスプリッター、および光検出器のオプトメカニカル共振器です。

物理学者は、室温で光線の量子ノイズを最大15パーセント抑制できるデバイスを作成しました。セットアップの主要要素であるオプトメカニカル共振器のミラーの材料により、熱ゆらぎの影響を実質的に取り除き、システムをさらに冷却することなく測定を実行できます。将来的には、この結果により、高精度の機器、特に重力波検出器の操作が容易になります。この研究はジャーナルNaturePhysicsに掲載されており、プレプリントはarXiv.orgで入手できます。

量子現象の性質上、物理量の一部のペアを同時に任意に正確に測定することはできません。このようなパラメーターの標準偏差(値の広がり)の積には、不確定性関係によって設定される下限があります。自然な量子ノイズを抑制し、測定精度を向上させるために、物理学者はシステムを特別なスクイーズド状態にします。つまり、ある値の広がりを減らし、別の値の広がりを増やします(これについて詳しくは、「量子鉛筆」の資料を参照してください)。削り器")。

実際には、電磁放射はしばしばスクイーズド状態になります。この場合、一対の量は、光子の数に関連する波の強度と、時間に依存する振動の位相です。測定の精度を向上させるために、科学者はオプトメカニカル共振器を使用します。これは、可動境界を備えた特殊な光共振器です(たとえば、固定ミラーと可動ミラーのシステム)。このような設置での問題は、熱雑音です。これは、電荷キャリアの自然な無秩序な動きであり、測定にも干渉します。量子雑音を抑制することが可能になる前に、少なくともその観測のための条件を作成する必要があります-つまり、熱ゆらぎを重要でないものにする必要があります。この目的のために、設備は通常極低温(通常は数十ケルビン)に冷却されますが、長時間の連続実験(重力波の検索など)では、室温で測定を実行することが非常に望ましいです。

マサチューセッツ工科大学のナンシー・アガーワルが率いるオーストリアと米国の科学者たちは、絞り込まれた光の状態を作り出して観察するための実験を開発し、実施しました。セットアップの主な要素は、サイズが約1センチメートルのオプトメカニカル共振器で、2つのミラーで構成されていました。固定式で直径約1センチメートル、可動式で直径が約70マイクロメートルです。これは人間の髪の毛。著者らは、ガリウム砒素(GaAs)とアルミニウム-ガリウム砒素(Al0.92Ga0.08As)の46の交互層から可動ミラーを作成し、55マイクロメートルの長さのGaAs結晶に取り付けました。これは、高い性能指数を持つばねとして機能しました。 (約16000)。可動ミラーの材質とそのアタッチメントは、原子構造の秩序性が高いという特徴があります。そのため、熱雑音の影響は少なく、このような結晶でできた元素は、室温でも設置に使用できます。

研究者たちは、レーザービームを共振器に向けました-その中の光子の数の自然な変動は、異なる時間に異なる力が放射側から移動するミラーに作用するという事実につながりました(光子の運動量の伝達によって引き起こされます)。この力の変動により、ミラーマウントが収縮し、少し緩みました。その結果、ミラー間の距離が変化しました。これは、光がそれを克服するのにかかった時間と、光の波。言い換えれば、位相と光子数の変動の間で共振器に相関関係が生じました-光はスクイーズド状態になりました。

共振器から出てくる物理ビームは、参照ビーム(同じレーザーからのビームスプリッターを使用して得られた)と混合され、光検出器に記録されました。ビーム間の位相差は、変動がない場合、ビームが移動した距離の差によってのみ決定され、一定のままであり、実際の実験では小さな変動が発生しました-このため、波はに重ね合わされました互いに異なる方法で、ノイズが検出器に現れました。著者らはそれを登録し、実験設定からの光圧縮のプロセスを除いて、同じ設定で別々に測定された量子ノイズの自然レベル(標準的な光の状態)と比較しました。

測定結果に基づいて、科学者は、設置により、室温で信号周波数範囲30〜70キロヘルツの量子ノイズを45キロヘルツ付近で最大約15パーセント減衰させることができることを確立しました。著者によると、将来このような結果が得られると、光の絞り状態を調べたり、他の測定に使用したりする実験(重力波検出器の操作など)が大幅に容易になります。秩序だった構造の材料により、科学者は冷却装置について心配する必要がなくなり、オプトメカニカルシステムのコンパクトなサイズにより、さまざまな設備に簡単に組み込むことができます。

以前は、同じ著者チームが室温で量子ノイズを再現することができました。実験は現在の実験とほぼ同じでしたが、ノイズ抑制を目的としたものではありませんでした。昨年末、スクイーズド光が重力アンテナの特性をどのように改善したか、そして最近では、量子ゆらぎがLIGO干渉計の40キログラムのミラーの位置をどのように変化させたかが明らかになりました。

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