Fysiker vid MIT har designat en kvant "ljus squeezer" som minskar kvantbrus i en inkommande laserstråle med 15 procent. Det är det första systemet i sitt slag som fungerar i rumstemperatur, gör den mottaglig för en kompakt, bärbar installation som kan läggas till högprecisionsexperiment för att förbättra lasermätningar där kvantbrus är en begränsande faktor.

Hjärtat i den nya squeezer är en optisk kavitet i marmorstorlek, inrymd i en vakuumkammare och med två speglar, varav en är mindre än diametern på ett människohår. Den större spegeln står stilla medan den andra är flyttbar, upphängd av en fjäderliknande konsol.

Formen och sammansättningen av denna andra "nanomekaniska" spegel är nyckeln till systemets förmåga att arbeta i rumstemperatur. När en laserstråle kommer in i kaviteten, den studsar mellan de två speglarna. Kraften från ljuset gör att den nanomekaniska spegeln svänger fram och tillbaka på ett sätt som gör att forskarna kan konstruera ljuset som lämnar kaviteten för att ha speciella kvantegenskaper.

Laserljuset kan lämna systemet i ett sammanpressat tillstånd, som kan användas för att göra mer exakta mätningar, till exempel, inom kvantberäkning och kryptologi, och vid detektering av gravitationsvågor.

"Viktigheten av resultatet är att du kan konstruera dessa mekaniska system så att vid rumstemperatur, de kan fortfarande ha kvantmekaniska egenskaper, " säger Nergis Mavalvala, marmorprofessorn och biträdande fysikchef vid MIT. "Det förändrar spelet totalt när det gäller att kunna använda dessa system, inte bara i våra egna labb, inrymt i stora kryogena kylskåp, men ute i världen."

Teamet har publicerat sina resultat i tidskriften Naturfysik . Tidningens huvudförfattare är Nancy Aggarwal, en före detta doktorand i fysik vid MIT LIGO Laboratory, nu postdoc vid Northwestern University. Andra medförfattare på tidningen tillsammans med Mavalvala är Robert Lanza och Adam Libson vid MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, och Thomas Corbitt från Louisiana State University; och Garrett Cole, David Follman, och Paula Heu från Crystalline Mirror Solutions i Santa Barbara, Kalifornien.

En kall "showstopper"

En laser innehåller mängder av fotoner som strömmar ut i synkroniserade vågor för att producera en ljus, fokuserad ljusstråle. Inom denna beställda konfiguration, dock, det finns lite slumpmässighet bland en lasers individuella fotoner, i form av kvantfluktuationer, även känt inom fysiken som "skottljud".

Till exempel, antalet fotoner i en laser som anländer till en detektor vid en given tidpunkt kan fluktuera runt ett genomsnittligt antal, på ett kvantmässigt sätt som är svårt att förutsäga. Likaså, tidpunkten då en foton anländer till en detektor, relaterat till dess fas, kan också fluktuera kring ett medelvärde.

Båda dessa värden – antalet och tidpunkten för en lasers fotoner – bestämmer hur exakt forskare kan tolka lasermätningar. Men enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip, en av kvantmekanikens grundsatser, det är omöjligt att samtidigt mäta både positionen (eller timingen) och rörelsemängden (eller antalet) av partiklar samtidigt med absolut säkerhet.

Forskare arbetar kring denna fysiska begränsning genom kvantklämning - tanken att osäkerheten i en lasers kvantegenskaper, i detta fall antalet och tidpunkten för fotoner, kan representeras som en teoretisk cirkel. En perfekt rund cirkel symboliserar lika osäkerhet i båda egenskaperna. En ellips – en klämd cirkel – representerar en mindre osäkerhet för en egenskap och en större osäkerhet för den andra, beroende på hur cirkeln, och förhållandet mellan osäkerhet i en lasers kvantegenskaper, är manipulerad.

Ett sätt som forskare har utfört kvantklämning är genom optomekaniska system, designad med delar, som speglar, som kan flyttas till en liten grad av inkommande laserljus. En spegel kan röra sig på grund av kraften som appliceras på den av fotoner som utgör ljuset, och den kraften är proportionell mot antalet fotoner som träffar spegeln vid en given tidpunkt. Avståndet som spegeln rörde sig vid den tiden är kopplat till timingen för fotoner som anländer till spegeln.

Självklart, forskare kan inte veta de exakta värdena för både antalet och tidpunkten för fotoner vid en given tidpunkt, men genom denna typ av system kan de etablera en korrelation mellan de två kvantegenskaperna, och därigenom pressa ner osäkerheten och laserns totala kvantbrus.

Tills nu, optomekanisk klämning har realiserats i stora uppsättningar som måste inrymmas i kryogena frysar. Det är för att, även vid rumstemperatur, den omgivande termiska energin är tillräcklig för att påverka systemets rörliga delar, orsakar ett "jitter" som överväldigar alla bidrag från kvantbrus. För att skydda mot termiskt brus, forskare har varit tvungna att kyla ner system till cirka 10 Kelvin, eller -440 grader Fahrenheit.

"Den minut du behöver kryogen kylning, du kan inte ha en bärbar, kompakt pressare, " säger Mavalvala. "Det kan vara en showstopper, för du kan inte ha en klämma som bor i ett stort kylskåp, och sedan använda den i ett experiment eller någon enhet som fungerar i fält."

Ger lätt en kläm

Laget, ledd av Aggarwal, tänkte designa ett optomekaniskt system med en rörlig spegel gjord av material som i sig absorberar väldigt lite värmeenergi, så att de inte skulle behöva kyla systemet externt. De designade till slut en mycket liten, 70 mikron bred spegel från omväxlande lager av galliumarsenid och aluminium galliumarsenid. Båda materialen är kristaller med en mycket ordnad atomstruktur som hindrar all inkommande värme från att komma ut.

"Mycket oordnade material kan lätt förlora energi eftersom det finns många platser där elektroner kan slå och kollidera och generera termisk rörelse, " säger Aggarwal. "Ju mer ordnat och rent material, desto färre platser har den att förlora eller försvinna energi."

Teamet hängde upp denna flerskiktsspegel med en liten, 55 mikron lång konsol. Den fribärande och flerskiktsspegeln har också formats för att absorbera minimal värmeenergi. Både den rörliga spegeln och konsolen tillverkades av Cole och hans kollegor på Crystalline Mirror Solutions, och placeras i ett hålrum med en stationär spegel.

Systemet installerades sedan i ett laserexperiment byggt av Corbitts grupp vid Louisiana State University, där forskarna gjorde mätningarna. Med den nya klämman, forskarna kunde karakterisera kvantfluktuationerna i antalet fotoner kontra deras timing, när lasern studsade och reflekterades från båda speglarna. Denna karaktärisering gjorde det möjligt för teamet att identifiera och därigenom minska kvantbruset från lasern med 15 procent, producerar ett mer exakt "klämt" ljus.

Aggarwal har utarbetat en ritning för forskare att anpassa systemet till vilken våglängd som helst av inkommande laserljus.

"I takt med att optomekaniska klämmor blir mer praktiska, det här är arbetet som startade det, " säger Mavalvala. "Det visar att vi vet hur man gör dessa rumstemperaturer, våglängds-agnostiska klämmor. När vi förbättrar experimentet och materialen, vi kommer att göra bättre pressar."