كيف نستخدم الضوء الكمومي لقياس المذبذبات عند -250 درجة مئوية

قمنا بقياس اهتزاز بندول صغير على مستوى نانومتر واحد. ثم وضعوها في الثلاجة وتبريدها حتى 250 درجة مئوية. ثم استخدموا الارتباطات الكمية لتقليل الضوضاء في النظام ومراقبة الإشارة بشكل أفضل.







تساعدنا تقنية الكم في مجموعة متنوعة من المجالات. على سبيل المثال ، عندما نحتاج إلى قياس إشارة ضعيفة للغاية ، فإن الضوضاء الكمومية في النظام تعترض طريقنا. هذه مشكلة تقليدية ، على سبيل المثال ، في كاشفات موجات الجاذبية ، حيث تتداخل التقلبات الكمومية في اتساع وطور الليزر المستخدم لقياس موضع المرايا مع مراقبة موجات الجاذبية. تحدثت عن هذا في مقالتي عن كاشف تلسكوب أينشتاين ، والذي سيظهر في أوروبا في المستقبل القريب.



في تجربتنا ، حصلنا على نموذج أولي صغير لهذا الكاشف.

تم نشر النسخة الأولية لمقالنا حول هذه التجربة اليوم: قياس التداخل بالضوء المضغوط على غشاء ميكانيكي دقيق مبرد بالتبريد .

1. مقدمة موجزة

هناك العديد من القوى الضعيفة في الطبيعة والتي يحب العلماء دراستها.

المشكلة هي أننا لا نستطيع قياس القوة بشكل مباشر ، ولكن يمكننا فقط ملاحظة تأثيرها على أجسام مختلفة.



الطريقة الأسهل والأكثر فعالية لقياس القوة هي استخدام البندول. تحرك القوة البندول ، ونقيس الإزاحة. عندما يكون تردد القوة قريبًا من تردد طنين البندول ، يتم تعزيز الإزاحة بشكل كبير ويمكننا ملاحظة إشارة جيدة.

من الملائم استخدام الضوء لقياس إزاحة البندول. عندما نضيء ليزرًا على بندول مغطى بمادة عاكسة ، تحتوي مرحلة الضوء المنعكس على معلومات حول إزاحة البندول.



لا يمكننا مراقبة طور الضوء مباشرة ، لذلك نحتاج إلى مقياس تداخل.







مقياس تداخل ميكلسون: يتم تقسيم شعاع الليزر إلى جزأين متساويين بواسطة مقسم الحزمة ، المنعكس من المرايا المتحركة ، حيث يكتسب الطور بمعلومات حول إزاحتها. بعد العودة إلى مقسم الحزمة ، تتداخل مراحل مختلفة من الحزمة (تتم إضافة السعات أو طرحها) ، وعند الخرج نرى إشارة تتناسب مع إزاحة المرايا.



لا تعمل كاشفات موجات الجاذبية فقط على هذا المبدأ ، ولكن أيضًا معظم المستشعرات.



لسوء الحظ ، بالإضافة إلى الإشارة في هذا الكاشف ، سيكون هناك العديد من مصادر الضوضاء الأخرى.

كتبت عن بعضها في مقالتي حول كاشف تلسكوب أينشتاين ، لكن هنا سأقتصر على اثنين فقط.

1. الضوضاء الحرارية

لنتخيل البندول كمرآة معلقة بخيط.



تؤدي الحركة البراونية الحرارية للجزيئات في هذا الخيط إلى إثارة اهتزازات المرآة. هذه الحركة من حيث المبدأ عشوائية ويمكن تمثيلها كقوة تعمل على المرآة بترددات مختلفة. عند الترددات القريبة من صدى البندول ، تؤدي هذه القوة إلى زيادة طنين في إزاحة المرآة. وعلى الرغم من أن طيف القوة الحرارية أبيض (أي أن القوة هي نفسها في جميع الترددات) ، عند قياس طيف حركة المرآة ، سنرى ذروة مميزة عند تردد الطنين.





طيف الضوضاء الحرارية: إزاحة البندول بسبب الضوضاء الحرارية عند الترددات المختلفة. كلما انخفضت درجة الحرارة ، قلت الضوضاء. مسروق من هنا .



تعتمد الضوضاء الحرارية على درجة الحرارة (أقل ، ضوضاء أقل) وعلى جودة الخيط (مقدار الضياع). بالمعنى الدقيق للكلمة ، هناك نظرية تذبذب - تبديد تربط الضوضاء المرصودة بالتبدد في النظام.



وفقًا لذلك ، في أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية المستقبلية ، سيتم مكافحة هذه الضوضاء بطريقتين: عن طريق تبريد المعلقات (والمرايا) وزيادة جودتها. في تجربتنا ، لاحظنا طيف ضوضاء حراري وقمنا بتقليله باستخدام التبريد ، ولكن أكثر من ذلك أدناه.

2. ضوضاء الكم

الضوء ذو طبيعة كمومية ، الفوتونات الفردية تطير بتأخيرات عشوائية مختلفة. بمعنى آخر ، تبين أن مرحلة شعاع الضوء عشوائية.



عندما نحاول قياس إشارة الطور من قوة خارجية ، فإنها محدودة بسبب عدم اليقين في هذه المرحلة. على الكاشف ، نرى ضوضاء الطيف الأبيض ، والتي تبين أنها قيد أساسي في دقة القياس. تقتصر جميع أجهزة الكشف على ضوضاء اللقطة. على الرغم من طبيعتها الأساسية ، يمكن استخدام الارتباطات الكمية لتقليل هذه الضوضاء.



للقيام بذلك ، عليك أن تتذكر القليل من ميكانيكا الكم. يرتبط عدم اليقين في الطور وعدم اليقين بسعة الليزر بعلاقة هايزنبرغ:

$$

$$\Delta^2 E_{} \Delta^2 E_{} \leq \frac{1}{2}$$

في شعاع الليزر التقليدي ، تكون أوجه عدم اليقين هذه متساوية. ومع ذلك ، من الممكن ضغط حالة عدم اليقين عن طريق زيادة عدم اليقين في السعة - الشيء الرئيسي هو أن منتجهم يفي بعلاقة عدم اليقين. يسمى هذا الضوء بدرجة G مضغوطة:

$$

$$\Delta^2 E_{}^{} = G^{-1}\Delta^2 E_{}, \Delta^2 E_{}^{} = G\Delta^2 E_{}\\ \Delta^2 E_{}^{} \Delta^2 E_{}^{} = \Delta^2 E_{} \Delta^2 E_{} \leq \frac{1}{2}.$$

سنستخدم هذه الحيلة لضغط حالة عدم اليقين في الطور ، مما يسمح لنا بمراقبة الإشارة بشكل أفضل. بالمناسبة ، تستخدم كاشفات الموجات الثقالية بالفعل الضوء المضغوط لجميع الملاحظات الحديثة. حتى وقت قريب ، قمنا بتجربة حيث لعبنا بهذا الضوء المضغوط ، وكتبت عنه في Habré .



لذا ، بعد معرفة الأساسيات ، دعنا ننتقل إلى التجربة.

2. مقياس التداخل لدينا

في تجربتنا ، استخدمنا غشاءًا صغيرًا يبلغ جانبه 1 مم وسمكه 50 نانومتر فقط كبندول.





إلى اليسار: صورة الغشاء (نافذة صغيرة في وسط الإطار الرمادي). يتم شد الغشاء مثل الأسطوانة فوق إطار ويهتز من الداخل. إلى اليمين: رسم توضيحي لإزاحة الغشاء.



يتأرجح هذا الغشاء عند تردد حوالي 400 كيلو هرتز ، ويبلغ عامل Q (عدد التذبذبات قبل فقدان نصف الطاقة) حوالي 10 ⁵ . للقيام بذلك ، يجب أن تضعه في فراغ ، وإلا فإن الهواء يضغط عليه بشدة ، ولا يهتز.



كما أنها شفافة تمامًا: انعكاسها 20٪ فقط.



هذا ليس ملائمًا للغاية ، لأنه إذا تم استخدام مثل هذا الغشاء في مقياس تداخل ميكلسون ، فستفقد معظم الإشارة. والأسوأ من ذلك ، عندما نريد استخدام الضوء المضغوط ، فإن هذه الارتباطات الكمية تضيع أيضًا ، وهي حساسة بشكل خاص للخسارة. لذلك قررنا استخدام تكوين مختلف لمقياس التداخل ، "طي" ذراعي مقياس تداخل ميكلسون بحيث تبين أن المرآتين هما غشاء واحد.

في مثل هذا التداخل ، هناك وضعان: جزء من الضوء يمر عبر الغشاء ، ويترك ببساطة مقياس التداخل دون أن يحمل أي إشارة (هذا هو وضع Sagnac). الجزء الآخر ينعكس ويكتسب طورًا يتناسب مع إزاحة الغشاء ، ونتلقى إشارة عند خرج مقياس التداخل.



مقياس التداخل Michelson-Sagnac



تتمثل إحدى الصعوبات الرئيسية لمقياس التداخل في ضبطه: يجب أن يتداخل الضوء بشكل مثالي عند مقسم الحزمة المركزية ، وإلا فلن يحدث التداخل ، ونفقد الحساسية والضوء المضغوط. يكون هذا صعبًا بشكل خاص عندما يكون مقياس التداخل داخل غرفة مفرغة أو ناظم كريوستات. لجعل مقياس التداخل مستقرًا قدر الإمكان ، قمنا بتصنيعه من كتلة واحدة من المواد ذات معامل تمدد حراري منخفض ، مما أدى إلى تحسين شكله بحيث لا ينحني عند التبريد. كما تم طلاؤه بطلاء ذهبي لعزله قدر الإمكان عن حرارة الإشعاع الخارج. وضعنا هذه الكتلة في ناظم البرد ، والذي يمكن أن يبرد إلى 20 ك (-253 درجة مئوية).





تمثيل تخطيطي لمقياس التداخل





منظر مفجر لمقياس التداخل: اليسار - مقياس التداخل والمحركات الانضغاطية ، مما يؤدي إلى إزاحة المرايا في درجات حرارة منخفضة. على اليمين يوجد الغشاء الموجود في الحامل.

3. ضوء مضغوط

أوصي بقراءة المقال عن حبري ، وهو مقدمة ممتازة لحالات الضوء المنضغط.



يمكن إنشاء الضوء المضغوط بطرق مختلفة ، ونحن نستخدم بلورة غير خطية.

عندما يتم ضخ بلورة بالفوتونات ، ينتج عن عملية غير خطية فوتونان من فوتون واحد يضخ بنصف طاقة (تردد) فوتون الضخ. تجد هذه الفوتونات نفسها في حالة تشابك كمي . تبين أن تدفق هذه الفوتونات المقترنة يكون مرتبًا أكثر من تدفق الضوء العادي ، لأن يتم تقليل ضوضاء اللقطة - تأثير الضغط.



في هذه الحالة ، سيتم تقليل عدم اليقين في الطور ، في الحد إلى الصفر ، عن طريق زيادة عدم اليقين في السعة. يمكنك القيام بالعكس ، وتقليل عدم اليقين في السعة. في تجاربنا ، نحن لا نضغط الضوء نفسه ، لكننا نضغط على التقلبات الكمية للحالة الصفرية للمجال (أي ما يسمى بتقلبات الفراغ). لمثل هذا الفراغ المضغوط ، يكون متوسط ​​السعة صفرًا ولا يوجد سوى عدم يقين بالطور والسعة.





. . () (). () : , . ( ). .



في التجربة ، استخدمنا أولاً عملية غير خطية لإنشاء حزمة ضخ ، وتقليل الطول الموجي من 1550 نانومتر إلى 775 نانومتر (SHG) ، ثم استخدام هذه الضخ لضغط تقلبات الفراغ بطول موجة 1550 نانومتر. ثم نقيس الضوء الناتج في مقياس التداخل ، ونحاذيه مع شعاع الليزر على الحاجز. هذا النهج يسمى الكشف عن homodyne .







في هذه التجربة ، كان لدينا ضغط حوالي 8.7 ديسيبل عند الإدخال إلى مقياس التداخل (تقليل الضوضاء بمقدار 7.5 مرة) ، ولكن بشكل عام يمكننا القيام بضغط أقوى بكثير الآن - حتى 30 مرة (15 ديسيبل). كما كتبت أعلاه ، فإن الضوء المضغوط معرض جدًا للفقد البصري ، ولم يكن التحسن في الحساسية كبيرًا جدًا (4.8 ديسيبل).

4. وضع كل ذلك معا

نرسل الضوء المضغوط إلى مقياس التداخل من منفذ الإشارة. يمر عبر مقياس التداخل ، ويتراجع مع الإشارة من حركة الغشاء. كلاهما موجه إلى كاشف التماثل.



يجب التحكم في جميع مراحل الضوء: يجب أن تظل الرنانات متناغمة مع الحزمة الرئيسية ، ويجب أن تتطابق أطوار الضوء المضغوط مع مراحل الإشارة ، ويجب أن يظل مقياس التداخل مضبوطًا بشكل صحيح ، ويجب على كاشف التماثل أن يقيس المرحلة الصحيحة.

نتيجة لذلك ، تحتل جميعها معًا غرفة كبيرة:









نتيجة لذلك ، تمكنا من مراقبة الحركة الحرارية للغشاء لدينا وتبريده حتى 100 كلفن وحتى 20 كلفن. يمكن ملاحظة هذا التبريد مباشرة في طيف حركته: مع انخفاض درجة الحرارة ، تقل الضوضاء أيضًا. من ناحية أخرى ، نستخدم الضوء المضغوط ونخمد ضوضاء اللقطة ثلاث مرات. والنتيجة هي نموذج أولي لكاشف الموجات الثقالية ، حيث ندمج مقياس التداخل المبرد مع ضغط الكم للمرة الأولى.







الأهم من ذلك ، نوضح أنه من الممكن الحفاظ على ضبط مقياس التداخل عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة وعدم إدخال خسائر من شأنها تقليل درجة الارتباطات الكمية في النظام.



وقد تم معظم العمل وهو طالب دراسات عليا في مختبرنا (يتم التقاط الصور في الغالب منها أطروحة). لقد ذهبنا إلى هذه النتيجة لأكثر من 6 سنوات ، وكل شيء يناسب 4 صفحات من المقالة. هذه هي الطريقة التي نقضي بها وقتنا في مختبرات البصريات الكمومية. في المرة القادمة سأخبرك عن تجربة أخرى وأعرض المزيد من العناصر الداخلية للبصريات وأي نبات هيكبور.



قياس التداخل بالضوء المضغوط على غشاء ميكانيكي دقيق مبرد بالتبريد

أخيرًا وليس آخرًا ، إذا كنت تريد مشاهدتي أحاول معرفة كيفية عمل Twitter العلمي باللغة الإنجليزية ، فمرحباً بك في hbar_universe .