麻省理工学院朱棣文教授 信用:CC0公共领域 麻省理工学院的物理学家设计了一种量子“光挤压器”，可以将入射激光束中的量子噪声降低15%
这是同类系统中第一个在室温下工作的系统，使其易于紧凑、便携式设置，可添加到高精度实验中，以改善量子噪声是限制因素的激光测量
新挤压器的核心是一个大理石大小的光学腔，装在一个真空室里，里面有两个镜子，其中一个比人类头发的直径还小
较大的镜子静止不动，而另一面是可移动的，由一个类似弹簧的悬臂悬挂
第二面“纳米机械”镜子的形状和组成是系统在室温下工作的关键
当激光束进入空腔时，它在两个反射镜之间反弹
光线产生的力使纳米机械镜来回摆动，使得研究人员能够设计出具有特殊量子特性的出射光
激光可以以压缩状态离开系统，这可以用来进行更精确的测量，例如，在量子计算和密码学中，以及在引力波的探测中
“结果的重要性在于，你可以设计这些机械系统，这样在室温下，它们仍然可以具有量子力学性质，”麻省理工学院的大理石教授兼物理学副教授内吉斯·马瓦瓦拉说
“这彻底改变了游戏规则，不仅在我们自己的实验室里，在大型低温冰箱里，而且在全世界都能使用这些系统
" 该团队已经在《自然物理学》杂志上发表了他们的研究结果
这篇论文的主要作者是南希·阿格沃尔，她以前是麻省理工学院LIGO实验室的物理研究生，现在是西北大学的博士后
该论文的其他合著者还有麻省理工学院的罗伯特·兰扎和亚当·利布森；路易斯安那州立大学的托里·卡伦、乔纳森·克里普和托马斯·科比特；加州圣巴巴拉水晶镜解决方案公司的加勒特·科尔、大卫·福尔曼和宝拉·休
冰冷的“挡箭牌” 激光器包含大量光子，这些光子以同步波的形式流出，产生明亮的聚焦光束
然而，在这种有序的结构中，激光的单个光子之间有一点随机性，表现为量子波动，在物理学中也被称为“散粒噪声”
" 例如，在任何给定时间到达探测器的激光中的光子数可以在一个平均数附近波动，这种量子方式很难预测
同样，光子到达探测器的时间，与其相位有关，也可以在平均值附近波动
这两个值——激光光子的数量和时间——决定了研究人员可以多精确地解释激光测量
但是根据量子力学的基本原理之一海森堡测不准原理，不可能同时绝对确定地测量粒子的位置(或时间)和动量(或数量)
科学家们通过量子压缩绕过了这一物理约束——量子压缩是指激光量子特性的不确定性，在这种情况下是光子的数量和时间，可以表示为一个理论圈
一个完美的圆形象征着两种属性的不确定性相等
椭圆——一个压缩的圆——代表一种性质的较小不确定性和另一种性质的较大不确定性，这取决于如何操纵圆和激光量子性质的不确定性比率
研究人员实现量子压缩的一种方法是通过光学机械系统，该系统设计有镜子等部件，可以通过入射激光移动到很小的程度
由于构成光的光子施加在镜子上的力，镜子可以移动，并且该力与在给定时间撞击镜子的光子数量成比例
此时镜子移动的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光子数量和时间的精确值，但通过这种系统，他们可以在两种量子特性之间建立关联，从而压缩不确定性和激光器的整体量子噪声
到目前为止，光学机械挤压已经在需要放置在低温冷冻箱中的大型装置中实现
这是因为，即使在室温下，周围的热能也足以对系统的可移动部件产生影响，导致“抖动”超过量子噪声的任何贡献
为了屏蔽热噪声，研究人员不得不将系统冷却到大约10开尔文，或者-440华氏度
“当你需要低温冷却的时候，你不可能有一个便携式的、紧凑的挤压器，”马瓦瓦拉说
“这可能是一个很好的例子，因为你不能把一个榨汁机放在一个大冰箱里，然后用它来做实验或者在野外工作
" 轻轻一挤 阿加尔瓦尔领导的团队试图设计一种带有可移动镜子的光学机械系统，这种镜子由本质上吸收热能很少的材料制成，因此他们不需要从外部冷却系统
他们最终用砷化镓和砷化镓铝交替层设计了一个非常小的70微米宽的镜子
这两种材料都是晶体，具有非常有序的原子结构，可以防止任何热量散失
“非常无序的材料很容易失去能量，因为有很多地方电子可以碰撞并产生热运动，”阿格沃尔说
“一种物质越有序和纯净，它失去或消耗能量的地方就越少
" 研究小组用一个55微米长的小悬臂悬挂了这个多层反射镜
悬臂和多层反射镜也被成形为吸收最小的热能
可移动的镜子和悬臂都是由科尔和他的同事在水晶镜解决方案公司制造的，并放置在一个带有固定镜子的空腔中
该系统随后被安装在路易斯安那州立大学科比特小组建造的激光实验中，研究人员在那里进行了测量
有了新的挤压器，研究人员能够描述光子数量随时间的量子波动，因为激光从两个镜子上反射回来
这一特征使研究小组能够识别并由此将激光的量子噪声降低15%，产生更精确的“压缩”光
阿格瓦尔已经为研究人员绘制了一份蓝图，让他们可以将该系统应用于任何波长的激光
“随着视觉机械挤压器变得越来越实用，这是开始它的工作，”马瓦瓦拉说
“这表明我们知道如何制造这些室温、波长不可知的挤压器
随着我们改进实验和材料，我们将制造更好的挤压器
"
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