Оптомеханическая система уменьшила квантовый шум при комнатной температуре ( 1 фото )

Основные элементы установки — оптомеханический резонатор из двух зеркал, светоделители и фотодетекторы

Nancy Aggarwal et al. / Nature Physics, 2020

Физики изготовили устройство, которое способно при комнатной температуре подавлять до 15 процентов квантового шума в световом луче. Материал основного элемента установки — зеркала в оптомеханическом резонаторе — позволяет практически избавиться от воздействия тепловых флуктуаций и проводить измерения без дополнительного охлаждения системы. В будущем этот результат облегчит работу высокоточных приборов — в частности, гравитационных детекторов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, препринт доступен на arXiv.org.

Природа квантовых явлений такова, что некоторые пары физических величин невозможно одновременно измерять сколь угодно точно — произведение стандартных отклонений (разбросов в значении) таких параметров имеет нижний предел, который задается соотношением неопределенностей. Чтобы подавить естественный квантовый шум и повысить точность измерений, физики приводят системы в специальные сжатые состояния — то есть уменьшают разброс одной величины ценой увеличения разброса другой (подробнее об этом можно узнать в материале «Точилка для квантового карандаша»).

На практике в сжатое состояние часто приводят электромагнитное излучение — в этом случае парой величин выступают интенсивность волны, которая связана с числом фотонов, и фаза колебаний, которая зависит от времени. Для повышения точности измерений ученые используют оптомеханические резонаторы — специальные оптические полости с подвижными границами (например, системы из закрепленного и перемещающегося зеркал). Проблемой в таких установках является тепловой шум — естественное хаотическое движение носителей заряда, которое также служит помехой для измерений. Прежде чем станет возможным подавление квантового шума, необходимо как минимум создать условия для его наблюдения — то есть сделать незначительными тепловые флуктуации. С этой целью установку, как правило, охлаждают до криогенных температур (обычно десятки кельвинов), однако для длительных и непрерывных экспериментов (как, например, поиски гравитационных волн) крайне желательно проводить измерения при комнатной температуре.

Ученые из Австрии и США под руководством Нэнси Агарвал (Nancy Aggarwal) из Массачусетского технологического института разработали и провели эксперимент по созданию и наблюдению сжатого состояния света. Основным элементом установки стал оптомеханический резонатор размером около сантиметра, который состоял из двух зеркал: неподвижного, диаметром также порядка сантиметра, и подвижного, диаметром около 70 микрометров — это сравнимо с толщиной человеческого волоса. Подвижное зеркало авторы изготовили из 46 чередующихся слоев арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (Al0.92Ga0.08As) и прикрепили к кристаллу GaAs длиной 55 микрометров, который выполнял роль пружины с высокой добротностью (порядка 16 тысяч). Материалам подвижного зеркала и его крепления свойственна высокая упорядоченность атомной структуры — благодаря этому влияние теплового шума для них незначительно, и элементы из таких кристаллов можно использовать в установке даже при комнатной температуре.

В резонатор исследователи направляли лазерный пучок — естественные флуктуации числа фотонов в нем приводили к тому, что в разные моменты времени на подвижное зеркало со стороны излучения действовала разная сила (вызванная передачей импульса фотонов). Флуктуации этой силы, в свою очередь, заставляли крепление зеркала немного сжиматься и разжиматься — в результате менялось расстояние между зеркалами, а значит время, которое свет тратил на его преодоление, и зависящая от времени фаза световой волны. Иными словами, в резонаторе возникала корреляция между фазой и колебаниями числа фотонов — свет переходил в сжатое состояние.

Вышедший из резонатора пучок физики смешивали с опорным лучом (который получали при помощи светоделителей из того же лазера) и регистрировали на фотодетекторе. Разность фаз между лучами, которая в отсутствие каких-либо флуктуаций определялась бы только разностью пройденных ими расстояний и оставалась бы постоянной, в реальном опыте испытывала небольшие колебания — из-за этого волны по-разному накладывались друг на друга и на детекторе возникал шум. Авторы регистрировали его и сравнивали с естественным уровнем квантового шума (для стандартного состояния света), который отдельно измерили на той же установке, исключив из схемы опыта процесс сжатия света.

По итогам измерений ученые установили, что установка позволяет при комнатной температуре снизить квантовый шум в диапазоне сигнальных частот от 30 до 70 килогерц с максимальным ослаблением около 15 процентов вблизи 45 килогерц. По словам авторов, достижение таких результатов в будущем значительно облегчит проведение опытов, которые исследуют сжатое состояние света или используют его для других измерений (к таким экспериментам относится и работа гравитационных детекторов). Материалы с упорядоченной структурой позволят ученым не заботиться об охлаждении приборов, а компактные размеры оптомеханической системы — без затруднений включать ее в состав различных установок.

Ранее тому же коллективу авторов удалось при комнатной температуре воспроизвести квантовый шум — эксперимент во многом повторял нынешний, однако не был нацелен на подавление шума. В конце прошлого года стало известно о том, как сжатый свет улучшил свойства гравитационных антенн, а совсем недавно — о том, как квантовые флуктуации изменили положение сорокакилограммового зеркала в интерферометре LIGO.

Николай Мартыненко