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最近，麻省理工學(xué)院LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種光量子擠壓器（quantum light squeezer），第一次在室溫下將入射激光束的量子噪聲降低15%，達(dá)到低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的水平。這是第一種可以在室溫下工作的光擠壓器，它將能進(jìn)一步改進(jìn)受量子噪音限制的高精度激光測(cè)量與調(diào)制，在量子計(jì)算和引力波探測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行更精確的測(cè)量。相關(guān)成果發(fā)表在近期的《自然·物理》雜志上。

這種光量子擠壓器的核心構(gòu)造是一個(gè)只有彈珠大小的光學(xué)共振腔。共振腔安置在真空室中，包含兩面鏡子，其中較大的鏡片是固定的，而另一個(gè)較小的鏡片則是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它比一根頭發(fā)絲的直徑還小，質(zhì)量?jī)H為50納克（1納克為10-9克），懸掛在一根彈簧狀的懸臂上，可來(lái)回移動(dòng)。一個(gè)光子就可以稍稍影響小鏡片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

一束激光光子進(jìn)入共振腔時(shí)，會(huì)在兩面鏡子之間來(lái)回反射。光子的輻射壓對(duì)較小的鏡片施加力的作用，使之來(lái)回?cái)[動(dòng)，這樣激光光子離開(kāi)共振腔時(shí)就會(huì)處于一種特殊的擠壓狀態(tài)。

激光中包含有大量光子，這些光子以同步的波的形式流出，產(chǎn)生明亮、聚焦的光束。雖然激光束整體上是有序且同步的波，但光子實(shí)際上是離散的粒子，這些單個(gè)的光子仍然具有一定的隨機(jī)性。正如拋擲大量硬幣時(shí)，會(huì)有1/2的概率得到正面朝上，另外1/2的概率得到背面朝上，當(dāng)拋擲的次數(shù)較少時(shí)，正面或背面朝上的概率就會(huì)偏離1/2，也就是存在漲落。在任意給定的時(shí)間內(nèi)，激光中到達(dá)探測(cè)器的的光子數(shù)量會(huì)圍繞著一個(gè)平均值上下波動(dòng)，這與它的振幅有關(guān)，存在難以預(yù)測(cè)的量子漲落。與此類似，光子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間與它的相位有關(guān)，也會(huì)圍繞著一個(gè)平均值上下波動(dòng)。

其中，測(cè)量光相位時(shí)的誤差會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲，測(cè)量光振幅時(shí)的誤差會(huì)產(chǎn)生輻射壓噪聲。這兩者合起來(lái)被稱為量子噪聲，它決定了任何測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)的最高精度都不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

標(biāo)準(zhǔn)量子極限的存在是海森堡不確定性原理的直接后果。根據(jù)這一原理，我們不可能同時(shí)精確地測(cè)量一個(gè)物體的位置和動(dòng)量。在單次的測(cè)量中，情況確實(shí)如此。然而，當(dāng)我們需要連續(xù)地測(cè)量一個(gè)物體的位置時(shí)，測(cè)量位置的行為會(huì)引入動(dòng)量的不確定性，這會(huì)進(jìn)一步演化為位置測(cè)量的不確定性，這個(gè)過(guò)程被稱作量子反作用（quantum back action）。當(dāng)我們努力在位置測(cè)量的精確性和量子反作用導(dǎo)致的不精確性之間權(quán)衡時(shí)，可以達(dá)到的最高精度就是標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

光是電磁場(chǎng)的激發(fā)，而電磁場(chǎng)可以被描述為兩個(gè)振蕩分量的組合：一個(gè)分量與電磁波的振幅有關(guān)，另一個(gè)與相位有關(guān)。這兩者的漲落也遵循海森堡不確定性原理。對(duì)于光的干涉測(cè)量而言，只要振幅和相位的不確定性是彼此不相關(guān)的，那么測(cè)量精度的上限就是標(biāo)準(zhǔn)量子極限。反之，如果讓振幅和相位的不確定性之間存在關(guān)聯(lián)，那么測(cè)量的精度就可以大大提高，從而回避標(biāo)準(zhǔn)量子極限的約束。

振幅和相位的不確定性存在關(guān)聯(lián)的光被稱為擠壓光。對(duì)于擠壓光而言，海森堡不確定性原理仍然適用，只是其中一種性質(zhì)的不確定性降低，而另一種的不確定性增加了。如果將光的振幅和相位的不確定性用一個(gè)圓來(lái)表示，一個(gè)完美的圓形表示這兩個(gè)性質(zhì)具有同樣的不確定性。當(dāng)圓被擠壓成橢圓時(shí)，就表示其中一個(gè)性質(zhì)具有較小的不確定性，而另一個(gè)性質(zhì)具有較大的不確定性。

我們可以從不同角度擠壓光，來(lái)改變這兩種特性的不確定性的比率。例如對(duì)于下圖中的光，相位的不確定性降低了，而振幅的不確定性增加了。當(dāng)光的頻率不同時(shí)，它可能以一種不同的方式被擠壓，比如相位的不確定性增加，而振幅的不確定性降低。

那么，要如何產(chǎn)生擠壓光呢？其中一種方式就是通過(guò)光量子擠壓器這樣的光機(jī)械系統(tǒng)。

光進(jìn)入共振腔時(shí)，與光的相位和振幅相關(guān)的量子漲落彼此不相關(guān)。當(dāng)入射光到達(dá)鏡片時(shí)，光子的輻射壓會(huì)對(duì)鏡片施加力的作用，這個(gè)力的大小與給定時(shí)間內(nèi)撞擊鏡片的光子數(shù)量成正比。另一方面，鏡片在這段時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離與光子到達(dá)鏡片的時(shí)間有關(guān)，因而導(dǎo)致光波發(fā)生相位的移動(dòng)。當(dāng)然，我們無(wú)法同時(shí)知道一段時(shí)間內(nèi)到達(dá)鏡面的光子數(shù)量和時(shí)間的精確值，但通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以建立振幅和相位這兩個(gè)量子特性之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而調(diào)整它們的不確定性的比率，并降低整體的量子噪聲。這樣，當(dāng)光離開(kāi)共振腔時(shí)就變成了擠壓光。

事實(shí)上，要在室溫條件下實(shí)現(xiàn)擠壓光是非常困難的，這是因?yàn)槭覝叵轮車h(huán)境中的熱量已經(jīng)足以影響系統(tǒng)的可移動(dòng)部件，熱量漲落造成的抖動(dòng)會(huì)淹沒(méi)量子噪聲的任何影響。在此之前，為了屏蔽熱噪聲，研究人員不得不將系統(tǒng)冷卻到10開(kāi)爾文（零下263攝氏度）左右。對(duì)低溫的依賴無(wú)疑極大地限制了光量子擠壓器的應(yīng)用場(chǎng)景。

為此，研究人員設(shè)計(jì)了新的光量子擠壓器，其核心部件是由砷化鎵和砷化鎵鋁的交替層制造而成的70微米寬的反射鏡。這兩種晶體材料都具有純凈且高度有序的原子結(jié)構(gòu)，只會(huì)吸收很少的熱量，將使熱量驅(qū)動(dòng)的電子碰撞被極大地抑制。這就意味著鏡片的振動(dòng)主要將由激光的輻射壓所導(dǎo)致，而不是由于熱漲落產(chǎn)生的抖動(dòng)，因而也就無(wú)須外部系統(tǒng)來(lái)冷卻。

這篇論文的第一作者Nancy Aggarwal解釋說(shuō)：“在無(wú)序的材料中，電子有很大的空間可以四處移動(dòng)并碰撞，產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)。而在更為有序和純凈的材料中，則只有較小的空間將能量耗散掉?！?/span>

利用新的光量子擠壓器，研究人員就能夠描述當(dāng)激光在兩面鏡子之間反彈時(shí)，光的相位和振幅的量子漲落。這一特性使得室溫下激光的量子噪聲降低了15%，產(chǎn)生了可用于精確測(cè)量的擠壓光。

事實(shí)上，麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)將這個(gè)光量子擠壓器安裝在LIGO的探測(cè)器上，用來(lái)研究干涉儀內(nèi)激光產(chǎn)生的量子噪聲。

2015年9月14日，LIGO第一次探測(cè)到了兩顆巨大黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波。當(dāng)兩顆巨大的天體碰撞時(shí)，時(shí)空被有節(jié)奏地拉伸和壓縮，如水中漣漪般傳播出去，這就是引力波。不同于一般天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的光波和其他電磁波，或者宇宙射線中的粒子，引力波的信號(hào)要微弱得多。例如，當(dāng)那次引力波經(jīng)過(guò)遙遠(yuǎn)的距離到達(dá)地球時(shí)，它的振幅已經(jīng)衰減到僅相當(dāng)于原子核大小的數(shù)千分之一。而LIGO就是被設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)這些來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的微弱信號(hào)。

LIGO主要由兩個(gè)探測(cè)器組成，一個(gè)位于華盛頓的漢福德，另一個(gè)位于路易斯安那州的利文斯頓。每個(gè)探測(cè)器都是一個(gè)L形的干涉儀，由兩個(gè)垂直的4公里長(zhǎng)的臂組成。在兩條臂的末端各懸掛著一個(gè)40公斤重的鏡片，形成一個(gè)光學(xué)共振腔。激光從干涉儀的激光器發(fā)出，分光鏡會(huì)將其分成兩束完全相同的光。激光到達(dá)鏡面后反射回起點(diǎn)，并產(chǎn)生干涉圖樣。如果沒(méi)有引力波的干擾，這兩束激光會(huì)恰好在同一時(shí)間返回，并完全抵消。而如果此時(shí)引力波恰好經(jīng)過(guò)地球，它會(huì)短暫地?cái)_動(dòng)干涉儀臂的長(zhǎng)度，拉伸其中一個(gè)，而壓縮另一個(gè)，這樣兩束激光行經(jīng)的距離不再相同，它們返回時(shí)不再能完全抵消，從而可以探測(cè)到光干涉信號(hào)。

要用如此巨大的設(shè)備來(lái)測(cè)量比原子核還要小得多的距離變化，研究人員需要做大量的工作來(lái)避免外部噪音對(duì)干涉儀的擾動(dòng)。無(wú)論是附近道路上經(jīng)過(guò)的卡車，還是樹(shù)林里的落葉，都不能讓干涉儀產(chǎn)生晃動(dòng)。鏡面上原子的熱運(yùn)動(dòng)、激光產(chǎn)生的量子噪聲也都應(yīng)該剔除掉。只有當(dāng)引力波信號(hào)產(chǎn)生的影響比這些擾動(dòng)更大時(shí)，LIGO干涉儀才能探測(cè)到引力波。而如果降低輻射壓噪聲，也就有可能探測(cè)到更微弱的引力波信號(hào)。研究人員想要知道，新的光量子擠壓器是否可以用來(lái)降低探測(cè)器內(nèi)的背景量子噪音，即LIGO的激光產(chǎn)生的散粒噪聲與輻射壓噪聲，從而最終提高LIGO探測(cè)引力波的靈敏度。

他們首先測(cè)量了LIGO干涉儀內(nèi)部的總體噪聲，這既包括量子噪聲，也包括經(jīng)典噪聲，即熱量漲落以及日?，F(xiàn)象產(chǎn)生的振動(dòng)干擾等。在從數(shù)據(jù)中剔除掉經(jīng)典噪聲后，他們觀察到，干涉儀內(nèi)的輻射壓噪聲足以使40公斤重的鏡片移動(dòng)約10-20米（作為對(duì)比，氫原子的直徑約為10-10米），也就是說(shuō)，它會(huì)對(duì)宏觀物體施加可測(cè)量的力的作用。

接下來(lái)，研究人員打開(kāi)光量子擠壓器，從不同角度擠壓LIGO干涉儀內(nèi)的激光，以改變振幅和相位的不確定性的比率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓光會(huì)導(dǎo)致LIGO的激光相位的不確定性（導(dǎo)致散粒噪聲）和鏡面位置的不確定性（導(dǎo)致輻射壓噪聲）之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，由此產(chǎn)生的組合量子噪聲只有標(biāo)準(zhǔn)量子極限的70%。

這是人們第一次在引力波探測(cè)中實(shí)現(xiàn)量子非破壞性測(cè)量。在量子非破壞性測(cè)量中，量子關(guān)聯(lián)的存在阻止了系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的信息的破壞，因而可以連續(xù)、精確地測(cè)量一些物理量，例如LIGO干涉儀中鏡片的移動(dòng)。

從2019年4月1日開(kāi)始，LIGO探測(cè)器啟動(dòng)了它的第三輪觀測(cè)計(jì)劃，并且已經(jīng)安裝了新的光量子擠壓器來(lái)提高引力波探測(cè)器的靈敏度。在此之前，引力波探測(cè)器往往并不考慮激光相位與干涉儀鏡片之間的關(guān)聯(lián)，但新的光量子擠壓器可以從不同角度擠壓激光，改變其振幅和相位不確定性的比率，使得散粒噪聲與輻射壓噪聲的總和最小，這將最大限度地提高LIGO探測(cè)器的靈敏度。隨著引力波探測(cè)靈敏度的提高，我們將有可能探測(cè)到更微弱、更遙遠(yuǎn)的引力波。除此之外，對(duì)于量子噪聲限制了更精確測(cè)量的其他領(lǐng)域，光量子擠壓器也將發(fā)揮重要作用。

[1] Aggarwal, N., Cullen, T.J., Cripe, J. et al. Room-temperature optomechanical squeezing.  Nat. Phys. 16, 784–788 (2020).

[2] Yu, H., McCuller, L., Tse, M. et al. Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO. Nature 583, 43–47 (2020).

[3] Valeria Sequino & Mateusz Bawaj. Quantum fluctuations have been shown to affect macroscopic objects. Nature 583, 31-32 (2020).

[4]Tse, M. et al. Quantum-enhanced advanced LIGO detectors in the era of gravitational-wave astronomy. Phys. Rev. Lett. 123, 231107 (2019).

[5] http://news.mit.edu/2020/quantum-noise-laser-precision-wave-detection-0707

[6] http://news.mit.edu/2020/quantum-fluctuations-jiggle-objects-0701