Bagaimana kami menggunakan cahaya kuantum untuk mengukur osilator pada -250 ° C

Kami mengukur getaran pendulum kecil pada tingkat satu nanometer. Dan kemudian mereka memasukkannya ke dalam lemari es dan mendinginkannya hingga -250 ° C. Dan kemudian mereka menggunakan korelasi kuantum untuk mengurangi derau dalam sistem dan mengamati sinyal dengan lebih baik.







Teknologi kuantum membantu kita dalam berbagai bidang. Misalnya, ketika kita perlu mengukur sinyal yang sangat lemah, dan gangguan kuantum dalam sistem menghalangi. Ini adalah masalah tradisional, misalnya, dalam detektor gelombang gravitasi, di mana fluktuasi kuantum pada amplitudo dan fase laser yang digunakan untuk mengukur posisi cermin mengganggu pengamatan gelombang gravitasi. Saya membicarakan hal ini di artikel saya tentang detektor Teleskop Einstein , yang akan muncul di Eropa dalam waktu dekat.



Dalam percobaan kami, kami mendapat prototipe kecil dari detektor ini.

Sebuah pracetak artikel kami tentang percobaan ini telah dirilis hari ini: Interferometri cahaya-terjepit pada membran mikro-mekanis yang didinginkan secara kriogenik .

1. Pengantar singkat

Ada banyak kekuatan lemah di alam yang ingin dipelajari para ilmuwan.

Masalahnya adalah kita tidak dapat mengukur gaya secara langsung, tetapi hanya dapat mengamati pengaruhnya pada benda yang berbeda.



Cara termudah dan paling efektif untuk mengukur gaya adalah dengan menggunakan pendulum. Gaya menggerakkan bandul, dan kami mengukur perpindahan itu. Ketika frekuensi gaya mendekati frekuensi resonansi bandul, perpindahan sangat meningkat dan kita dapat mengamati sinyal yang baik.

Lebih mudah menggunakan cahaya untuk mengukur perpindahan bandul. Saat kami menyorotkan laser pada pendulum yang dilapisi dengan zat reflektif, fase cahaya yang dipantulkan berisi informasi tentang perpindahan pendulum.



Kita tidak bisa langsung mengamati fase cahaya, untuk itu diperlukan interferometer.







Michelson interferometer: sinar laser dibagi menjadi dua bagian yang sama oleh pemisah sinar, yang dipantulkan dari cermin bergerak, di mana ia memperoleh fase dengan informasi tentang perpindahannya. Setelah kembali ke pemecah berkas, fase berkas yang berbeda mengganggu (amplitudo ditambahkan atau dikurangi), dan pada keluaran kita melihat sinyal yang sebanding dengan perpindahan cermin.



Tidak hanya detektor gelombang gravitasi yang bekerja berdasarkan prinsip ini, tetapi juga sebagian besar sensor.



Sayangnya, selain sinyal di detektor seperti itu, masih banyak sumber noise lainnya.

Saya menulis tentang beberapa di antaranya dalam artikel saya tentang detektor Teleskop Einstein , tetapi di sini saya akan membatasi diri hanya pada dua.

1. Kebisingan termal

Mari kita bayangkan pendulum sebagai cermin yang digantung oleh seutas tali.



Gerakan termal Brownian dari molekul-molekul di benang ini menyebabkan terjadinya osilasi cermin. Gerakan ini pada prinsipnya acak dan dapat direpresentasikan sebagai gaya yang bekerja pada cermin pada frekuensi yang berbeda. Pada frekuensi yang mendekati resonansi pendulum, gaya ini menyebabkan peningkatan resonansi dalam perpindahan cermin. Dan meskipun spektrum gaya termal berwarna putih (yaitu, gaya pada semua frekuensi sama), ketika mengukur spektrum gerakan cermin, kita akan melihat karakteristik puncak pada frekuensi resonansi.





Spektrum kebisingan termal: perpindahan bandul karena kebisingan termal pada frekuensi yang berbeda. Semakin rendah suhunya, semakin sedikit noise. Dicuri dari sini .



Derau termal bergantung pada suhu (semakin rendah, semakin sedikit derau) dan kualitas utas (jumlah kerugian). Sebenarnya, ada teorema fluktuasi-disipasi yang menghubungkan kebisingan yang diamati dengan disipasi dalam sistem.



Karenanya, dalam detektor gelombang gravitasi di masa mendatang, kebisingan ini akan diperangi dengan dua cara: dengan mendinginkan suspensi (dan cermin) dan meningkatkan kualitasnya. Dalam percobaan kami, kami mengamati spektrum kebisingan termal dan menguranginya dengan menggunakan pendinginan, tetapi lebih dari itu di bawah.

2. Kebisingan tembakan kuantum

cahaya memiliki sifat kuantum, foton individu terbang dengan penundaan acak yang berbeda. Dengan kata lain, fase berkas cahaya ternyata acak.



Ketika kami mencoba mengukur sinyal fase dari gaya eksternal, itu dibatasi oleh ketidakpastian fase ini. Pada detektor, kami melihat derau spektrum putih, yang ternyata menjadi batasan mendasar dalam akurasi pengukuran. Semua detektor dibatasi pada noise bidikan. Terlepas dari sifat dasarnya, korelasi kuantum dapat digunakan untuk mengurangi gangguan ini.



Untuk melakukan ini, Anda perlu mengingat sedikit mekanika kuantum. Ketidakpastian fase dan ketidakpastian amplitudo laser terkait dengan hubungan Heisenberg:

$$

$$\Delta^2 E_{} \Delta^2 E_{} \leq \frac{1}{2}$$

Dalam sinar laser konvensional, ketidakpastian ini sama. Namun, ketidakpastian fasa dapat dimampatkan dengan meningkatkan ketidakpastian amplitudo - yang terpenting adalah bahwa produk mereka memenuhi hubungan ketidakpastian. Cahaya seperti itu disebut kompresi G-derajat:

$$

$$\Delta^2 E_{}^{} = G^{-1}\Delta^2 E_{}, \Delta^2 E_{}^{} = G\Delta^2 E_{}\\ \Delta^2 E_{}^{} \Delta^2 E_{}^{} = \Delta^2 E_{} \Delta^2 E_{} \leq \frac{1}{2}.$$

Kami akan menggunakan trik seperti itu untuk memampatkan ketidakpastian fase, memungkinkan kami untuk mengamati sinyal dengan lebih baik. Omong-omong, detektor gelombang gravitasi sudah menggunakan cahaya yang diperas untuk semua pengamatan baru-baru ini. Sampai baru-baru ini, kami melakukan eksperimen di mana kami bermain dengan lampu yang diperas ini, dan saya menulis tentang itu di Habré .



Jadi, setelah mengetahui dasar-dasarnya, mari kita lanjutkan ke eksperimen.

2. Interferometer kami

Dalam percobaan kami, kami menggunakan membran kecil dengan sisi 1 mm dan ketebalan hanya 50 nm sebagai pendulum.





Kiri: foto membran (jendela kecil di tengah bingkai abu-abu). Membran diregangkan seperti drum di atas bingkai dan bergetar di dalamnya. Kanan: ilustrasi perpindahan membran.



Seperti berosilasi membran pada frekuensi sekitar 400 kHz, dan faktor Q nya (jumlah osilasi sebelum kehilangan setengah energi) adalah sekitar 10 ⁵ . Untuk melakukan ini, bagaimanapun, Anda harus meletakkannya di ruang hampa, jika tidak udara menekannya terlalu keras, dan tidak bergetar.



Ini juga cukup transparan: reflektifitasnya hanya 20%.



Ini sangat tidak nyaman, karena jika membran seperti itu digunakan dalam interferometer Michelson, sebagian besar sinyal akan hilang. Lebih buruk lagi, ketika kita ingin menggunakan squeezed light, korelasi kuantum ini juga hilang, dan sangat sensitif terhadap kerugian. Jadi kami memutuskan untuk menggunakan konfigurasi interferometer yang berbeda, "melipat" kedua lengan interferometer Michelson sehingga kedua cermin itu ternyata menjadi satu - membran kami.

Dalam interferometer semacam itu, ada dua mode: sebagian cahaya melewati membran, dan meninggalkan interferometer tanpa membawa sinyal apa pun (ini adalah mode Sagnac). Bagian lain dipantulkan dan memperoleh fase yang sebanding dengan perpindahan membran, dan kami menerima sinyal pada output interferometer.



Interferometer Michelson-Sagnac



Salah satu kesulitan utama interferometer adalah penyesuaiannya: cahaya idealnya harus tumpang tindih di pemisah berkas pusat, jika tidak, gangguan tidak akan terjadi, dan kita kehilangan sensitivitas dan cahaya terkompresi. Ini sangat sulit ketika interferometer berada di dalam ruang vakum atau cryostat. Untuk membuat interferometer sestabil mungkin, kami membuatnya dari satu blok material dengan koefisien muai panas yang rendah, mengoptimalkan bentuknya agar tidak berubah saat didinginkan. Itu juga dilapisi dengan lapisan emas untuk mengisolasinya sebanyak mungkin dari radiasi panas dari luar. Kami memasukkan blok ini ke dalam cryostat, yang dapat mendinginkannya hingga 20K (-253C).





Representasi skematis dari sebuah interferometer





Foto interferometer yang dibongkar: di sebelah kiri - interferometer dan piezomotor menggeser cermin pada suhu rendah. Di sebelah kanan adalah selaput di dudukan.

3. Cahaya terkompresi

Saya merekomendasikan membaca artikel tentang Habré, yang merupakan pengantar yang sangat baik untuk kondisi cahaya yang sempit.



Cahaya terkompresi dapat dibuat dengan berbagai cara dan kami menggunakan kristal non-linier.

Ketika kristal dipompa dengan foton, proses nonlinier menghasilkan dua foton dari satu foton pemompaan pada setengah energi (frekuensi) foton pemompaan. Foton-foton ini menemukan dirinya dalam keadaan terbelit kuantum . Fluks dari foton yang berpasangan tersebut ternyata lebih teratur daripada fluks cahaya biasa, karena kebisingan tembakan berkurang - efek kompresi.



Dalam hal ini, ketidakpastian fasa akan dikurangi, dalam batas nol, dengan meningkatkan ketidakpastian amplitudo. Anda dapat melakukan yang sebaliknya, mengurangi ketidakpastian amplitudo. Dalam eksperimen kami, kami tidak mengompresi cahaya itu sendiri, tetapi fluktuasi kuantum dari keadaan nol bidang (yaitu, apa yang disebut fluktuasi vakum). Untuk vakum terkompresi seperti itu , amplitudo rata - rata adalah nol dan hanya ada ketidakpastian fase dan amplitudo.





. . () (). () : , . ( ). .



Dalam percobaan, pertama-tama kami menggunakan proses nonlinier untuk membuat berkas pemompaan, mengurangi panjang gelombang dari 1550nm menjadi 775nm (SHG), dan kemudian menggunakan pemompaan ini untuk memampatkan fluktuasi vakum pada panjang gelombang 1550nm. Kemudian kami mengukur cahaya yang dihasilkan di interferometer, menyelaraskannya dengan sinar laser di pembatas. Pendekatan ini disebut deteksi homodyne .







Dalam percobaan ini, kami memiliki sekitar 8,7 dB kompresi pada input ke interferometer (pengurangan noise sebanyak 7,5 kali), tetapi secara umum kami dapat melakukan kompresi yang jauh lebih kuat sekarang - hingga 30 kali (15 dB). Seperti yang saya tulis di atas, cahaya terkompresi sangat rentan terhadap kehilangan optik, dan peningkatan sensitivitas tidak begitu signifikan (4,8dB).

4. Menyatukan semuanya

Kami mengirim cahaya terkompresi ke interferometer dari port sinyal. Ini melewati interferometer, dan mundur bersama dengan sinyal dari pergerakan membran. Keduanya diarahkan ke detektor homodyne.



Semua fase cahaya harus dikontrol: resonator harus tetap beresonansi dengan sinar utama, fase cahaya terkompresi harus sesuai dengan fase sinyal, interferometer harus tetap disetel dengan benar, detektor homodyne harus mengukur fase yang benar.

Akibatnya, semuanya menempati ruangan besar:









Hasilnya, kami dapat mengamati pergerakan termal membran kami dan mendinginkannya hingga 100K dan hingga 20K. Pendinginan ini dapat diamati secara langsung dalam spektrum geraknya: dengan penurunan suhu, kebisingan juga menurun. Di sisi lain, kami menggunakan cahaya terkompresi dan kami menekan noise bidikan tiga kali. Hasilnya adalah prototipe detektor gelombang gravitasi, di mana kami menggabungkan interferometer yang didinginkan dengan kompresi kuantum untuk pertama kalinya.







Yang paling penting, kami mendemonstrasikan bahwa dimungkinkan untuk mempertahankan penyetelan interferometer saat didinginkan ke suhu rendah dan tidak menimbulkan kerugian yang akan mengurangi derajat korelasi kuantum dalam sistem.



Sebagian besar pekerjaan dilakukan oleh mahasiswa pascasarjana di laboratorium kami (gambar sebagian besar diambil dari disertasinya). Kami melihat hasil ini selama lebih dari 6 tahun, dan semuanya sesuai di 4 halaman artikel. Beginilah cara kami menghabiskan waktu di lab optik kuantum. Lain kali saya akan memberi tahu Anda tentang eksperimen lain dan menampilkan lebih banyak internal optik dan hikporn apa pun.



Interferometri ringan pada membran mikro-mekanis berpendingin kriogenik

Last but not least, jika Anda ingin menonton saya mencoba mencari cara membuat Twitter ilmiah dalam bahasa Inggris, selamat datang di @hbar_universe .