光量子擠壓器：室溫下降低量子噪聲的新技術(shù)

新型的光量子擠壓器可以通過光和機械運動的量子關(guān)聯(lián)來降低量子噪聲，從而有望在量子計算和引力波探測等領(lǐng)域進行更精確的測量。

撰文 | 烏鴉少年

最近，麻省理工學(xué)院LIGO（激光干涉引力波天文臺）實驗室主導(dǎo)的一個科研團隊設(shè)計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，它將能進一步改進受量子噪音限制的高精度激光測量與調(diào)制，在量子計算和引力波探測等領(lǐng)域進行更精確的測量。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，而另一個較小的鏡片則是整個系統(tǒng)的核心部件，它比一根頭發(fā)絲的直徑還小，質(zhì)量僅為50納克（1納克為10^（-9）克），懸掛在一根彈簧狀的懸臂上，可來回移動。一個光子就可以稍稍影響小鏡片的運動狀態(tài)。

光量子擠壓器藝術(shù)圖 | 來源：Christine Daniloff, MIT

一束激光光子進入共振腔時，會在兩面鏡子之間來回反射。光子的輻射壓對較小的鏡片施加力的作用，使之來回擺動，這樣激光光子離開共振腔時就會處于一種特殊的擠壓狀態(tài)。

擠壓光如何降低量子噪聲？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，但光子實際上是離散的粒子，這些單個的光子仍然具有一定的隨機性。正如拋擲大量硬幣時，會有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，正面或背面朝上的概率就會偏離1/2，也就是存在漲落。在任意給定的時間內(nèi)，激光中到達探測器的的光子數(shù)量會圍繞著一個平均值上下波動，這與它的振幅有關(guān)，存在難以預(yù)測的量子漲落。與此類似，光子到達探測器的時間與它的相位有關(guān)，也會圍繞著一個平均值上下波動。

其中，測量光相位時的誤差會產(chǎn)生散粒噪聲，測量光振幅時的誤差會產(chǎn)生輻射壓噪聲。這兩者合起來被稱為量子噪聲，它決定了任何測量可以實現(xiàn)的最高精度都不能超過標(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，我們不可能同時精確地測量一個物體的位置和動量。在單次的測量中，情況確實如此。然而，當(dāng)我們需要連續(xù)地測量一個物體的位置時，測量位置的行為會引入動量的不確定性，這會進一步演化為位置測量的不確定性，這個過程被稱作量子反作用（quantum back action）。當(dāng)我們努力在位置測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，可以達到的最高精度就是標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

光是電磁場的激發(fā)，而電磁場可以被描述為兩個振蕩分量的組合：一個分量與電磁波的振幅有關(guān)，另一個與相位有關(guān)。這兩者的漲落也遵循海森堡不確定性原理。對于光的干涉測量而言，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圓來表示，一個完美的圓形表示這兩個性質(zhì)具有同樣的不確定性。當(dāng)圓被擠壓成橢圓時，就表示其中一個性質(zhì)具有較小的不確定性，而另一個性質(zhì)具有較大的不確定性。

我們可從不同角度擠壓光，來改變這兩種特性的不確定性的比率。例如對于下圖中的光，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，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。

未受到擠壓的光（上）和相位被擠壓的光（下）| 來源：nature

在室溫下產(chǎn)生擠壓光那么，要如何產(chǎn)生擠壓光呢？其中一種方式就是通過光量子擠壓器這樣的光機械系統(tǒng)。

光進入共振腔時，與光的相位和振幅相關(guān)的量子漲落彼此不相關(guān)。當(dāng)入射光到達鏡片時，光子的輻射壓會對鏡片施加力的作用，這個力的大小與給定時間內(nèi)撞擊鏡片的光子數(shù)量成正比。另一方面，鏡片在這段時間內(nèi)移動的距離與光子到達鏡片的時間有關(guān)，因而導(dǎo)致光波發(fā)生相位的移動。當(dāng)然，我們無法同時知道一段時間內(nèi)到達鏡面的光子數(shù)量和時間的精確值，但通過這個系統(tǒng)，可以建立振幅和相位這兩個量子特性之間的關(guān)聯(lián)，進而調(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)光離開共振腔時就變成了擠壓光。

當(dāng)光在共振腔中傳播時，光子的輻射壓會引起鏡片的振動，進而導(dǎo)致共振腔中的光波發(fā)生相位的移動，這就讓振幅和相位產(chǎn)生了量子關(guān)聯(lián)，當(dāng)光離開共振腔時就變成了擠壓光。| 來源：Nature

事實上，要在室溫條件下實現(xiàn)擠壓光是非常困難的，這是因為室溫下周圍環(huán)境中的熱量已經(jīng)足以影響系統(tǒng)的可移動部件，熱量漲落造成的抖動會淹沒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開爾文（零下263攝氏度）左右。對低溫的依賴無疑極大地限制了光量子擠壓器的應(yīng)用場景。

為此，研究人員設(shè)計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)，只會吸收很少的熱量，將使熱量驅(qū)動的電子碰撞被極大地抑制。這就意味著鏡片的振動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，因而也就無須外部系統(tǒng)來冷卻。

這篇論文的第一作者Nancy Aggarwal解釋說：“在無序的材料中，電子有很大的空間可以四處移動并碰撞，產(chǎn)生熱運動。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?！?/p>

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，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)生了可用于精確測量的擠壓光。

幫助探測到更微弱的引力波事實上，麻省理工學(xué)院LIGO實驗室的研究人員已經(jīng)將這個光量子擠壓器安裝在LIGO的探測器上，用來研究干涉儀內(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，時空被有節(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鏡觀測的光波和其他電磁波，或者宇宙射線中的粒子，引力波的信號要微弱得多。例如，當(dāng)那次引力波經(jīng)過遙遠的距離到達地球時，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)計用來探測這些來自遙遠宇宙的微弱信號。

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

LIGO探測引力波的原理示意圖。| 來源：nobelprize.org

要用如此巨大的設(shè)備來測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避免外部噪音對干涉儀的擾動。無論是附近道路上經(jīng)過的卡車，還是樹林里的落葉，都不能讓干涉儀產(chǎn)生晃動。鏡面上原子的熱運動、激光產(chǎn)生的量子噪聲也都應(yīng)該剔除掉。只有當(dāng)引力波信號產(chǎn)生的影響比這些擾動更大時，LIGO干涉儀才能探測到引力波。而如果降低輻射壓噪聲，也就有可能探測到更微弱的引力波信號。研究人員想要知道，新的光量子擠壓器是否可以用來降低探測器內(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探測引力波的靈敏度。

他們首先測量了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公斤重的鏡片移動約10^（-20）米（作為對比，氫原子的直徑約為10^（-10）米），也就是說，它會對宏觀物體施加可測量的力的作用。

接下來，研究人員打開光量子擠壓器，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中實現(xiàn)量子非破壞性測量。在量子非破壞性測量中，量子關(guān)聯(lián)的存在阻止了系統(tǒng)對測量的信息的破壞，因而可以連續(xù)、精確地測量一些物理量，例如LIGO干涉儀中鏡片的移動。

LIGO/Virgo 探測器可以探測的天體質(zhì)量。圖中展示了相互繞轉(zhuǎn)的兩個天體發(fā)生碰撞前各自的質(zhì)量，以及碰撞后合并形成的天體的質(zhì)量。| 來源：LIGO-Virgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky

從2019年4月1日開始，LIGO探測器啟動了它的第三輪觀測計劃，并且已經(jīng)安裝了新的光量子擠壓器來提高引力波探測器的靈敏度。在此之前，引力波探測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探測器的靈敏度。隨著引力波探測靈敏度的提高，我們將有可能探測到更微弱、更遙遠的引力波。除此之外，對于量子噪聲限制了更精確測量的其他領(lǐng)域，光量子擠壓器也將發(fā)揮重要作用。

參考資料

[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