麻省理工学院开发出光压缩器可降低激光束的量子噪声

美国麻省理工学院研究人员开发出一种量子“光压缩器”，可将入射激光束中的量子噪声降低15%。该设备可在室温下工作，其核心是位于真空室内的光腔和两面反射镜。当激光束进入光腔时，会在反射镜间反射，从而以压缩态射出光腔。而这种经过设计的压缩态激光具备更低的量子噪声，可用于进行更精确的测量，提高量子计算和引力波测量的精度。

该小组的研究结果发表在《自然物理学》杂志上。该论文的主要作者是南希·阿格加瓦尔（Nancy Aggarwal），他曾是MIT LIGO实验室的物理学研究生，现在是西北大学的博士后。

研究人员进行量子压缩的一种方法是通过光机械系统，该系统设计有诸如反射镜之类的部件，这些部件可以被入射激光轻微移动。镜子可以由于光子施加的力而移动，并且该力与在给定时间入射到镜子的光子数量成正比。镜子移动距离与光子到达镜子的时间有关。

当然，科学家无法知道给定时间的光子数量和时间的精确值，但是通过这种系统，他们可以在两个量子特性之间建立关联，从而减小不确定性和激光器的整体量子噪音。

到目前为止，光机械压缩需要在低温冷冻机中的大型装置中实现。这是因为，即使在室温下，周围的热能也足以影响系统的可移动部件，从而引起“抖动”，从而抵消了量子噪声的任何影响。为了抵御热噪声，研究人员不得不将系统冷却至大约10开氏度（-440华氏度）。

由阿格瓦瓦尔（Aggarwal）领导的团队希望设计一种光机械系统，该系统的可移动反射镜由吸收很少热能的材料制成，因此他们无需从外部冷却系统。他们最终用砷化镓和砷化铝镓的交替层设计了一个非常小的70微米宽的反射镜。两种材料都是具有非常有序的原子结构晶体，可以防止任何进入的热量逸出。

该团队使用一个55微米长的小悬臂悬吊多层镜。悬臂镜和多层镜也已成形为吸收最小热能。可移动镜和悬臂都是由Cole和他的Crystalline Mirror Solutions公司的同事制造的，并放置在带有固定镜腔中。

然后将该系统安装在路易斯安那州立大学Corbitt研究小组进行的激光实验中，研究人员在那里进行了测量。使用新的压模器，研究人员能够表征光子数量随时间变化的量子波动，因为激光在两个反射镜上反射。这种特征使团队可以识别并将来自激光器的量子噪声降低15％，从而产生更精确的“压缩”光。

Aggarwal已经为研究人员制定了一个蓝图，可以将该系统用于任何波长的入射激光。随着团队改进实验和材料将制造出更好的光压缩器。