Die Quantentechnologie hilft uns in einer Vielzahl von Bereichen. Zum Beispiel, wenn wir ein sehr schwaches Signal messen müssen und Quantenrauschen im System im Weg ist. Dies ist beispielsweise bei Gravitationswellendetektoren ein traditionelles Problem, bei dem Quantenfluktuationen in der Amplitude und Phase des Lasers zur Messung der Position der Spiegel die Beobachtung von Gravitationswellen stören. Ich habe darüber in meinem Artikel über den Einstein-Teleskopdetektor gesprochen , der in naher Zukunft in Europa erscheinen wird.
In unserem Experiment haben wir einen kleinen Prototyp dieses Detektors erhalten.
Ein Vorabdruck unseres Artikels über dieses Experiment wurde heute veröffentlicht: Quetschlichtinterferometrie auf einer kryogen gekühlten mikromechanischen Membran .
1. Kurze Einführung
Es gibt viele schwache Kräfte in der Natur, die Wissenschaftler gerne untersuchen würden.
Das Problem ist, dass wir die Kraft nicht direkt messen können, sondern nur ihre Wirkung auf verschiedene Körper beobachten können.
Der einfachste und effektivste Weg, die Kraft zu messen, ist die Verwendung eines Pendels. Die Kraft bewegt das Pendel und wir messen diese Verschiebung. Wenn die Frequenz der Kraft nahe an der Resonanzfrequenz des Pendels liegt, wird die Verschiebung stark erhöht und wir können ein gutes Signal beobachten.
Es ist zweckmäßig, Licht zu verwenden, um die Verschiebung des Pendels zu messen. Wenn wir einen Laser auf ein Pendel richten, das mit einer reflektierenden Substanz bedeckt ist, enthält die Phase des reflektierten Lichts Informationen über die Verschiebung des Pendels.
Wir können die Lichtphase nicht direkt beobachten, dafür brauchen wir ein Interferometer.
Michelson-Interferometer: Ein Laserstrahl wird durch einen Strahlteiler, der von beweglichen Spiegeln reflektiert wird, in zwei gleiche Teile geteilt, wo er mit Informationen über ihre Verschiebung eine Phase erfasst. Nach der Rückkehr zum Strahlteiler stören verschiedene Phasen des Strahls (die Amplituden werden addiert oder subtrahiert), und am Ausgang sehen wir ein Signal, das proportional zur Verschiebung der Spiegel ist.
Nach diesem Prinzip arbeiten nicht nur Gravitationswellendetektoren, sondern auch die meisten Sensoren.
Leider gibt es neben dem Signal in einem solchen Detektor viele andere Rauschquellen.
Ich habe über einige davon in meinem Artikel über den Einstein-Teleskopdetektor geschrieben , aber hier werde ich mich auf nur zwei beschränken.
1. Thermisches Rauschen
Stellen wir uns ein Pendel als einen Spiegel vor, der an einer Schnur hängt.
Die thermische Brownsche Bewegung der Moleküle in diesem Faden führt dazu, dass die Schwingungen des Spiegels angeregt werden. Diese Bewegung ist im Prinzip zufällig und kann als eine Kraft dargestellt werden, die mit verschiedenen Frequenzen auf den Spiegel wirkt. Bei Frequenzen nahe der Resonanz des Pendels führt diese Kraft zu einer resonanten Zunahme der Verschiebung des Spiegels. Und obwohl das Spektrum der Wärmekraft weiß ist (d. H. Die Kraft ist bei allen Frequenzen gleich), sehen wir beim Messen des Spektrums der Spiegelbewegung einen charakteristischen Peak bei der Resonanzfrequenz.
Thermisches Rauschspektrum: Verschiebung des Pendels aufgrund von thermischem Rauschen bei verschiedenen Frequenzen. Je niedriger die Temperatur, desto weniger Lärm. Von hier gestohlen .
Das thermische Geräusch hängt von der Temperatur (je niedriger, desto weniger Geräusch) und von der Qualität des Gewindes (dem Ausmaß des Verlusts) ab. Genau genommen gibt es einen Fluktuations-Dissipations-Satz , der das beobachtete Rauschen mit der Dissipation im System verbindet.
Dementsprechend wird dieses Rauschen in zukünftigen Gravitationswellendetektoren auf zwei Arten bekämpft: durch Abkühlen der Suspensionen (und Spiegel) und Erhöhen ihrer Qualität. In unserem Experiment haben wir das Spektrum des thermischen Rauschens beobachtet und es durch Kühlung reduziert, aber mehr dazu weiter unten.
2. Quantenschussrauschen
Licht hat eine Quantennatur, einzelne Photonen fliegen mit unterschiedlichen zufälligen Verzögerungen. Mit anderen Worten, die Phase des Lichtstrahls erweist sich als zufällig.
Wenn wir versuchen, das Phasensignal von einer externen Kraft zu messen, wird es durch diese Phasenunsicherheit begrenzt. Auf dem Detektor sehen wir weißes Spektrumrauschen, was sich als grundlegende Einschränkung der Messgenauigkeit herausstellt. Alle Detektoren sind auf Schussrauschen beschränkt. Trotz seiner fundamentalen Natur können Quantenkorrelationen verwendet werden, um dieses Rauschen zu reduzieren.
Dazu müssen Sie sich ein wenig an die Quantenmechanik erinnern. Die Phasenunsicherheit und die Laseramplitudenunsicherheit hängen mit der Heisenberg-Beziehung zusammen:
Bei einem herkömmlichen Laserstrahl sind diese Unsicherheiten gleich. Es ist jedoch möglich, die Phasenunsicherheit durch Erhöhen der Amplitudenunsicherheit zu komprimieren - Hauptsache, ihr Produkt erfüllt die Unsicherheitsrelation. Solches Licht wird als G-Grad-komprimiert bezeichnet:
Wir werden einen solchen Trick verwenden, um die Phasenunsicherheit zu komprimieren und das Signal besser beobachten zu können. Gravitationswellendetektoren verwenden übrigens bereits gequetschtes Licht für alle jüngsten Beobachtungen. Bis vor kurzem haben wir ein Experiment durchgeführt, bei dem wir mit diesem zusammengedrückten Licht gespielt haben, und ich habe darüber auf Habré geschrieben .
Nachdem wir die Grundlagen herausgefunden haben, fahren wir mit dem Experiment fort.
2. Unser Interferometer
In unserem Experiment verwendeten wir eine kleine Membran mit einer Seite von 1 mm und einer Dicke von nur 50 nm als Pendel.
Links: Foto der Membran (kleines Fenster in der Mitte des grauen Rahmens). Die Membran wird wie eine Trommel über einen Rahmen gespannt und vibriert im Inneren. Rechts: Darstellung der Membranverschiebung.
Eine solche Membran schwingt mit einer Frequenz von ungefähr 400 kHz und ihr Q-Faktor (die Anzahl der Schwingungen vor dem Verlust der halben Energie) beträgt ungefähr 10 5 . Dazu muss man es jedoch in ein Vakuum stellen, sonst drückt die Luft zu stark darauf und es vibriert nicht.
Es ist auch ziemlich transparent: sein Reflexionsvermögen beträgt nur 20%.
Dies ist nicht sehr praktisch, da bei Verwendung einer solchen Membran in einem Michelson-Interferometer der größte Teil des Signals verloren geht. Schlimmer noch, wenn wir gequetschtes Licht verwenden wollen, gehen diese Quantenkorrelationen ebenfalls verloren und sie sind besonders verlustempfindlich. Deshalb haben wir uns für eine andere Konfiguration des Interferometers entschieden und die beiden Arme des Michelson-Interferometers so "gefaltet", dass sich herausstellte, dass die beiden Spiegel eins sind - unsere Membran.
In einem solchen Interferometer gibt es zwei Modi: Ein Teil des Lichts tritt durch die Membran und verlässt das Interferometer einfach, ohne ein Signal zu übertragen (dies ist der Sagnac-Modus). Der andere Teil wird reflektiert und erhält eine Phase, die proportional zur Verschiebung der Membran ist, und wir erhalten ein Signal am Ausgang des Interferometers.
Michelson-Sagnac-Interferometer
Eine der Hauptschwierigkeiten des Interferometers ist seine Einstellung: Das Licht muss sich idealerweise am zentralen Strahlteiler überlappen, da sonst keine Interferenzen auftreten und wir an Empfindlichkeit und komprimiertem Licht verlieren. Dies ist besonders schwierig, wenn sich das Interferometer in einer Vakuumkammer oder einem Kryostaten befindet. Um das Interferometer so stabil wie möglich zu machen, haben wir es aus einem einzigen Materialblock mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt und seine Form so optimiert, dass es sich beim Abkühlen nicht verzieht. Es wurde auch mit einer Vergoldung beschichtet, um es so weit wie möglich von der Wärmestrahlung von außen zu isolieren. Wir haben diesen Block in einen Kryostaten gegeben, der ihn auf 20 K (-253 ° C) abkühlen könnte.
Schematische Darstellung eines Interferometers
Explosionszeichnung des Interferometers: Linksinterferometer und Piezomotoren, Spiegel bei niedrigen Temperaturen verschieben. Rechts ist die Membran im Halter.
3. Komprimiertes Licht
Ich empfehle , den Artikel über Habré zu lesen, der eine hervorragende Einführung in die zusammengedrückten Lichtzustände darstellt.
Komprimiertes Licht kann auf verschiedene Arten erzeugt werden und wir verwenden einen nichtlinearen Kristall.
Wenn ein Kristall mit Photonen gepumpt wird, führt ein nichtlinearer Prozess zu zwei Photonen von einem pumpenden Photon mit der halben Energie (Frequenz) des pumpenden Photons. Diese Photonen befinden sich in einem quantenverschränkten Zustand . Der Fluss solcher gepaarten Photonen ist geordneter als der Fluss gewöhnlichen Lichts, weil Schussgeräusche werden reduziert - Kompressionseffekt.
In diesem Fall wird die Phasenunsicherheit im Grenzbereich auf Null reduziert, indem die Amplitudenunsicherheit erhöht wird. Sie können das Gegenteil tun und die Amplitudenunsicherheit verringern. In unseren Experimenten komprimieren wir nicht das Licht selbst, sondern Quantenfluktuationen des Nullzustands des Feldes (d. H. Was als Vakuumfluktuationen bezeichnet wird). Für ein solches komprimiertes Vakuum ist die durchschnittliche Amplitude Null und es gibt nur Phasen- und Amplitudenunsicherheit.
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In dem Experiment verwenden wir zuerst einen nichtlinearen Prozess, um einen Pumpstrahl zu erzeugen, der die Wellenlänge von 1550 nm auf 775 nm (SHG) reduziert, und verwenden dieses Pumpen dann, um Vakuumschwankungen bei einer Wellenlänge von 1550 nm zu komprimieren. Dann messen wir das resultierende Licht in einem Interferometer und richten es mit einem Laserstrahl auf einem Teiler aus. Dieser Ansatz wird als Homodyn-Erkennung bezeichnet .
In diesem Experiment hatten wir am Eingang des Interferometers eine Komprimierung von ca. 8,7 dB (Rauschunterdrückung um das 7,5-fache), aber im Allgemeinen können wir jetzt eine viel stärkere Komprimierung durchführen - bis zu 30-fache (15 dB). Wie ich oben geschrieben habe, ist komprimiertes Licht sehr anfällig für optische Verluste, und die Verbesserung der Empfindlichkeit war nicht so signifikant (4,8 dB).
Beispieldaten
Die Phase des Homodyn-Detektors ändert sich periodisch, so dass wir gequetschtes und nicht gequetschtes Licht beobachten, wie in der grünen Kurve zu sehen. Die violette Linie ist der Schussrauschpegel des Vakuumzustands des Lichts.
Die Phase des Homodyn-Detektors ändert sich periodisch, so dass wir gequetschtes und nicht gequetschtes Licht beobachten, wie in der grünen Kurve zu sehen. Die violette Linie ist der Schussrauschpegel des Vakuumzustands des Lichts.
4. Alles zusammenfügen
Wir senden das komprimierte Licht vom Signalanschluss in das Interferometer. Es passiert das Interferometer und tritt zusammen mit dem Signal von der Bewegung der Membran zurück. Beide sind auf einen Homodyn-Detektor gerichtet.
Alle Phasen des Lichts müssen überwacht werden: Die Resonatoren müssen in Resonanz mit dem Hauptstrahl bleiben, die Phasen des zusammengedrückten Lichts müssen mit den Phasen des Signals übereinstimmen, das Interferometer muss korrekt eingestellt bleiben und der Homodyn-Detektor muss die richtige Phase messen.
Insgesamt nimmt es also einen großen Raum ein:
Mehr Bilder
Als Ergebnis konnten wir die thermische Bewegung unserer Membran beobachten und auf 100 K und bis zu 20 K abkühlen. Diese Abkühlung konnte direkt im Bewegungsspektrum beobachtet werden: Mit abnehmender Temperatur nahm auch das Geräusch ab. Auf der anderen Seite verwenden wir komprimiertes Licht und unterdrücken das Schussrauschen dreimal. Das Ergebnis ist ein Prototyp eines Gravitationswellendetektors, bei dem wir erstmals ein gekühltes Interferometer mit Quantenkompression kombinieren.
Vor allem zeigen wir, dass es möglich ist, die Abstimmung des Interferometers beim Abkühlen auf niedrige Temperaturen beizubehalten und keine Verluste einzuführen, die den Grad der Quantenkorrelationen im System verringern würden.
Der größte Teil der Arbeit wurde von einer Doktorandin in unserem Labor erledigt (Bilder stammen größtenteils aus ihrer Dissertation). Wir haben uns mehr als 6 Jahre lang mit diesem Ergebnis befasst und alles passt auf 4 Seiten des Artikels. So verbringen wir unsere Zeit in Quantenoptiklabors. Das nächste Mal erzähle ich Ihnen von einem anderen Experiment und zeige mehr Einbauten von Optik und Hikporn.
Quetschlichtinterferometrie an einer kryogen gekühlten mikromechanischen Membran
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