便携式系统提高了量子计算的激光精度

麻省理工学院的研究人员设计了一种量子“光挤压器”，可以将入射激光束中的量子噪声降低15%。它被设计为在室温下工作，使其易于使用一个紧凑的便携式装置，可以添加到高精度实验中，以改进量子噪声是一个限制因素的激光测量。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，以及在引力波检测中。

新挤压器的心脏是大理石尺寸的光学腔，容纳在真空室中并包含两个镜子，其中一个镜子小于人头发的直径。较大的镜子静止，而另一个镜子是可移动的，由弹簧状悬臂悬挂。

这第二面“纳米机械”镜子的形状和组成是该系统在室温下工作能力的关键。当激光束进入腔体时，它会在两面镜子之间反射。光所施加的力使纳米机械镜来回摆动，使研究人员能够设计出具有特殊量子性质的光从腔中出来。

“结果的重要性是您可以在室温下工程，它们仍然可以具有量子的机械性能，”Mitber教授Nergis Mavalvala表示，在麻省理工学院将物理头联系起来。“这完全改变了游戏，就能够使用这些系统，而不仅仅是在我们自己的实验室，容纳在大型低温冰箱中，但在世界上。”

该团队今天在期刊上发表了结果自然物理．这篇论文的主要作者是南希·阿加瓦尔(Nancy Aggarwal)，她曾是麻省理工学院LIGO实验室的物理学研究生，现在是美国西北大学的博士后。与马瓦尔瓦拉共同撰写这篇论文的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Torrey Cullen, Jonathan Cripe和Thomas Corbitt;加州圣巴巴拉市水晶镜子解决方案公司的加勒特·科尔、大卫·福尔曼和宝拉·赫。

一个寒冷的“奇观”

激光器包含在同步波中流出的群，以产生明亮的聚焦光束。然而，在这个有序的配置中，激光单独的光子之间存在一点随机性，以量子波动的形式，物理学中也称为“射击噪声”。

例如，在任何给定时间到达探测器的激光中的光子数量可以以一种难以预测的量子方式在一个平均数字上下波动。同样，光子到达检测器的时间，与其相位相关，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——决定了研究人员如何精确地解释激光测量结果。但根据量子力学的基本原理之一海森堡测不准原理，绝对确定地同时测量粒子的位置(或时间)和动量(或数量)是不可能的。

科学家通过量子挤压围绕这种物理限制来解决 - 在这种情况下，激光量子特性中的不确定性的想法，在这种情况下，光子的数量和定时可以表示为理论圆。一个完美的圆圈象征在两个属性中的平等不确定性。椭圆 - 挤压的圆圈 - 表示一个性质的不确定性和对方的更大的不确定性，具体取决于如何操纵圆圈和不确定的比率。

一种方法研究人员已经通过光学力学系统进行了量子挤压，设计有零件，例如镜子，可以通过进入的激光移动到微小程度。由于构成光的光子，镜子可能由于施加在其上的力而导致的，并且该力与在给定时间撞击镜子的光子的数量成比例。当时镜子移动的距离连接到到达镜子的光子的定时。

Of course, scientists cannot know the precise values for both the number and timing of photons at a given time, but through this kind of system they can establish a correlation between the two quantum properties, and thereby squeeze down the uncertainty and the laser’s overall quantum noise.

到目前为止，在需要容纳在低温冷冻机中的大型设置中已经实现了光学力学挤压。也就是说，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，从而使“抖动”压倒地源于量子噪声。为了防止热噪声，研究人员必须将系统冷却至约10个kelvin，或-440°F。

马瓦尔瓦拉说:“当你需要低温冷却的时候，你不能有一个便携的、紧凑的挤压机。”“这可能会成为一个亮点，因为你不可能在大冰箱里放一台挤压机，然后用它来做实验，或在现场使用一些设备。”

挤压光线

该团队由Nancy Aggarwal领导，由Nanthwestern大学的博士后，观察了一个光学力学系统，带有由内在吸收极小的热能的材料制成的可移动镜子，因此它们不需要在外部冷却系统。他们最终设计了一个非常小，70微米的镜子，从砷化镓和铝镓砷化镓层。两种材料都是具有非常有序原子结构的晶体，其防止任何进入的热量逃逸。

“非常无序的材料很容易失去能量，因为电子在很多地方可以爆炸和碰撞，并产生热运动，”Aggarwal说。“一种材料越有序、越纯，它损失或耗散能量的地方就越少。”

该团队用一个55微米长的小悬臂将这面多层镜子悬挂起来。悬臂和多层镜面的形状也可以吸收最小的热能。可移动的镜子和悬臂都是由Cole和他在crystalmirror Solutions公司的同事制作的，该公司最近收购了Thorlabs Inc.，现在是Thorlabs Inc.的一部分，并放置在一个装有固定镜子的空腔中。

然后将该系统安装在路易斯安那州立大学Corbitt群组建造的激光实验中，研究人员进行了测量。利用新的挤压器，研究人员能够表征光子数量与它们的时序中的量子波动，因为激光弹跳并反射两个镜子。该表征允许该团队识别，从而将量子噪声从激光降低15％，产生更精确的“挤压”光。

Aggarwal已经为研究人员制造了一个蓝图，用于采用系统的任何波长的进入激光。

“作为光学力学挤压器变得更加实用，这是开始它的工作，”麦拉拉说。“它表明，我们知道如何使这些室温，波长无障碍挤压器。随着我们改善实验和材料，我们将越来越好挤压。“

马萨诸塞州理工大学（麻省理工学院）

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.．