Natuurkundigen van het MIT hebben een kwantum "lichtknijper" ontworpen die de kwantumruis in een inkomende laserstraal met 15 procent vermindert. Het is het eerste systeem in zijn soort dat bij kamertemperatuur werkt, waardoor het geschikt is voor een compacte, draagbare opstelling die kan worden toegevoegd aan experimenten met hoge precisie om lasermetingen te verbeteren waarbij kwantumruis een beperkende factor is.

Het hart van de nieuwe pers is een optische holte ter grootte van een marmer, gehuisvest in een vacuümkamer en met twee spiegels, waarvan er één kleiner is dan de diameter van een mensenhaar. De grotere spiegel staat stil terwijl de andere verplaatsbaar is, opgehangen door een veerachtige cantilever.

De vorm en samenstelling van deze tweede "nanomechanische" spiegel is de sleutel tot het vermogen van het systeem om bij kamertemperatuur te werken. Wanneer een laserstraal de holte binnenkomt, het stuitert tussen de twee spiegels. De kracht die door het licht wordt verleend, zorgt ervoor dat de nanomechanische spiegel heen en weer zwaait op een manier die de onderzoekers in staat stelt om het licht dat de holte verlaat te manipuleren om speciale kwantumeigenschappen te hebben.

Het laserlicht kan het systeem in een samengedrukte toestand verlaten, die kunnen worden gebruikt om nauwkeurigere metingen te doen, bijvoorbeeld, in kwantumberekening en cryptologie, en bij de detectie van zwaartekrachtsgolven.

"Het belang van het resultaat is dat je deze mechanische systemen zo kunt engineeren dat bij kamertemperatuur, ze kunnen nog steeds kwantummechanische eigenschappen hebben, " zegt Nergis Mavalvala, de Marble Professor en associate head of physics aan het MIT. "Dat verandert het spel volledig in termen van het kunnen gebruiken van deze systemen, niet alleen in onze eigen laboratoria, ondergebracht in grote cryogene koelkasten, maar in de wereld."

Het team heeft zijn resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica . De hoofdauteur van het artikel is Nancy Aggarwal, een voormalige afgestudeerde natuurkundestudent in het MIT LIGO Laboratory, nu een postdoc aan de Northwestern University. Andere co-auteurs op het papier samen met Mavalvala zijn Robert Lanza en Adam Libson van het MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, en Thomas Corbitt van de Louisiana State University; en Garrett Cole, David Follman, en Paula Heu van Crystalline Mirror Solutions in Santa Barbara, Californië.

Een koude "showstopper"

Een laser bevat massa's fotonen die in gesynchroniseerde golven naar buiten stromen om een ​​heldere, gerichte lichtstraal. Binnen deze geordende configuratie, echter, er is een beetje willekeur tussen de individuele fotonen van een laser, in de vorm van kwantumfluctuaties, ook bekend in de natuurkunde als 'schotgeluid'.

Bijvoorbeeld, het aantal fotonen in een laser dat op een bepaald moment bij een detector aankomt, kan schommelen rond een gemiddeld aantal, op een kwantummanier die moeilijk te voorspellen is. Hetzelfde, het tijdstip waarop een foton bij een detector aankomt, gerelateerd aan zijn fase, kan ook rond een gemiddelde waarde schommelen.

Beide waarden - het aantal en de timing van de fotonen van een laser - bepalen hoe nauwkeurig onderzoekers lasermetingen kunnen interpreteren. Maar volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, een van de grondbeginselen van de kwantummechanica, het is onmogelijk om zowel de positie (of timing) als het momentum (of aantal) van deeltjes tegelijkertijd met absolute zekerheid te meten.

Wetenschappers omzeilen deze fysieke beperking door kwantumknijpen - het idee dat de onzekerheid in de kwantumeigenschappen van een laser, in dit geval het aantal en de timing van fotonen, kan worden weergegeven als een theoretische cirkel. Een perfect ronde cirkel symboliseert gelijke onzekerheid in beide eigenschappen. Een ellips - een samengedrukte cirkel - vertegenwoordigt een kleinere onzekerheid voor de ene eigenschap en een grotere onzekerheid voor de andere, afhankelijk van hoe de cirkel, en de verhouding van onzekerheid in de kwantumeigenschappen van een laser, wordt gemanipuleerd.

Een manier waarop onderzoekers kwantumknijpen hebben uitgevoerd, is door middel van optomechanische systemen, ontworpen met onderdelen, zoals spiegels, die in kleine mate kan worden verplaatst door inkomend laserlicht. Een spiegel kan bewegen vanwege de kracht die erop wordt uitgeoefend door fotonen waaruit het licht bestaat, en die kracht is evenredig met het aantal fotonen dat op een bepaald moment de spiegel raakt. De afstand die de spiegel op dat moment bewoog, hangt samen met de timing van de fotonen die bij de spiegel aankomen.

Natuurlijk, wetenschappers kunnen de exacte waarden voor zowel het aantal als de timing van fotonen op een bepaald moment niet kennen, maar door dit soort systeem kunnen ze een correlatie vaststellen tussen de twee kwantumeigenschappen, en daardoor de onzekerheid en de totale kwantumruis van de laser wegdrukken.

Tot nu, optomechanisch knijpen is gerealiseerd in grote opstellingen die in cryogene vriezers moeten worden ondergebracht. Dat is omdat, zelfs bij kamertemperatuur, de omringende thermische energie is voldoende om een ​​effect te hebben op de bewegende delen van het systeem, veroorzaakt een "jitter" die elke bijdrage van kwantumruis overweldigt. Om af te schermen tegen thermische ruis, onderzoekers hebben systemen moeten afkoelen tot ongeveer 10 Kelvin, of -440 graden Fahrenheit.

"Zodra je cryogene koeling nodig hebt, je kunt geen draagbare, compacte pers, " zegt Mavalvala. "Dat kan een showstopper zijn, omdat je geen pers kunt hebben die in een grote koelkast leeft, en gebruik het dan in een experiment of een apparaat dat in het veld werkt."

Licht een kneepje geven

Het team, geleid door Aggarwal, wilde een optomechanisch systeem ontwerpen met een beweegbare spiegel gemaakt van materialen die intrinsiek zeer weinig thermische energie absorberen, zodat ze het systeem niet extern hoeven te koelen. Ze ontwierpen uiteindelijk een heel klein, 70 micron brede spiegel van afwisselende lagen galliumarsenide en aluminiumgalliumarsenide. Beide materialen zijn kristallen met een zeer geordende atomaire structuur die voorkomt dat binnenkomende warmte ontsnapt.

"Zeer ongeordende materialen kunnen gemakkelijk energie verliezen, omdat er veel plaatsen zijn waar elektronen kunnen bonzen en botsen en thermische beweging genereren, "zegt Aggarwal. "Hoe meer geordend en puur een materiaal, hoe minder plaatsen het heeft om energie te verliezen of te dissiperen."

Het team heeft deze meerlaagse spiegel opgehangen met een kleine, 55 micron lange cantilever. De cantilever en meerlaagse spiegel zijn ook gevormd om minimale thermische energie te absorberen. Zowel de beweegbare spiegel als de cantilever zijn vervaardigd door Cole en zijn collega's bij Crystalline Mirror Solutions, en geplaatst in een holte met een stilstaande spiegel.

Het systeem werd vervolgens geïnstalleerd in een laserexperiment gebouwd door Corbitt's groep aan de Louisiana State University, waar de onderzoekers de metingen deden. Met de nieuwe knijper, de onderzoekers waren in staat om de kwantumfluctuaties in het aantal fotonen versus hun timing te karakteriseren, terwijl de laser op beide spiegels kaatste en weerkaatste. Dankzij deze karakterisering kon het team de kwantumruis van de laser identificeren en daarmee met 15 procent verminderen, het produceren van een nauwkeuriger "geperst" licht.

Aggarwal heeft een blauwdruk opgesteld voor onderzoekers om het systeem aan te passen aan elke golflengte van inkomend laserlicht.

"Naarmate optomechanische persen praktischer worden, dit is het werk waarmee het begon, " zegt Mavalvala. "Het laat zien dat we weten hoe we deze kamertemperatuur, golflengte-agnostische knijpers. Terwijl we het experiment en de materialen verbeteren, we zullen betere knijpers maken."