
A tecnologia quântica está nos ajudando em uma ampla variedade de áreas. Por exemplo, quando precisamos medir um sinal muito fraco e o ruído quântico do sistema atrapalha. Esse é um problema tradicional, por exemplo, em detectores de ondas gravitacionais, nos quais as flutuações quânticas na amplitude e na fase do laser usado para medir a posição dos espelhos interferem na observação das ondas gravitacionais. Falei sobre isso em meu artigo sobre o detector do Telescópio Einstein , que aparecerá na Europa em um futuro próximo.
Em nosso experimento, obtivemos um pequeno protótipo desse detector.
Uma pré-impressão de nosso artigo sobre este experimento foi lançada hoje: interferometria de luz comprimida em uma membrana micro-mecânica resfriada criogenicamente .
1. Breve introdução
Existem muitas forças fracas na natureza que os cientistas adorariam estudar.
O problema é que não podemos medir diretamente a força, mas podemos apenas observar seu efeito em diferentes corpos.
A maneira mais fácil e eficaz de medir a força é usar um pêndulo. A força move o pêndulo e medimos esse deslocamento. Quando a frequência da força está próxima da frequência de ressonância do pêndulo, o deslocamento é bastante reforçado e podemos observar um bom sinal.
É conveniente usar luz para medir o deslocamento do pêndulo. Quando projetamos um laser em um pêndulo coberto com uma substância reflexiva, a fase da luz refletida contém informações sobre o deslocamento do pêndulo.
Não podemos observar diretamente a fase da luz, para isso precisamos de um interferômetro.

Interferômetro de Michelson: um feixe de laser é dividido em duas partes iguais por um divisor de feixe, refletido de espelhos móveis, onde adquire fase com informações sobre seu deslocamento. Após retornar ao divisor de feixe, diferentes fases do feixe interferem (as amplitudes são adicionadas ou subtraídas), e na saída vemos um sinal proporcional ao deslocamento dos espelhos.
Não apenas os detectores de ondas gravitacionais funcionam com este princípio, mas também a maioria dos sensores.
Infelizmente, além do sinal desse detector, haverá muitas outras fontes de ruído.
Escrevi sobre alguns deles em meu artigo sobre o detector do Telescópio Einstein , mas aqui vou me limitar a apenas dois.
1. Ruído térmico
Vamos imaginar um pêndulo como um espelho suspenso por uma corda.
O movimento browniano térmico das moléculas neste fio leva a excitar as oscilações do espelho. Este movimento é em princípio aleatório e pode ser representado como uma força atuando no espelho em diferentes frequências. Em frequências próximas à ressonância do pêndulo, essa força leva a um aumento ressonante no deslocamento do espelho. E embora o espectro da força térmica seja branco (ou seja, a força é a mesma em todas as frequências), ao medir o espectro do movimento do espelho, veremos um pico característico na frequência ressonante.

Espectro de ruído térmico: deslocamento do pêndulo devido ao ruído térmico em diferentes frequências. Quanto mais baixa for a temperatura, menos ruído. Roubado daqui .
O ruído térmico depende da temperatura (quanto menor, menos ruído) e da qualidade do fio (a quantidade de perda). A rigor, existe um teorema de flutuação-dissipação que conecta o ruído observado com a dissipação no sistema.
Assim, em futuros detectores de ondas gravitacionais, esse ruído será combatido de duas formas: resfriando as suspensões (e espelhos) e aumentando sua qualidade. Em nosso experimento, observamos o espectro de ruído térmico e o reduzimos usando o resfriamento, mas mais sobre isso a seguir.
2. Ruído de tiro quântico
a luz tem uma natureza quântica, os fótons individuais voam com diferentes atrasos aleatórios. Em outras palavras, a fase do feixe de luz acaba sendo aleatória.
Quando tentamos medir o sinal de fase de uma força externa, ele é limitado por essa incerteza de fase. No detector, vemos ruído de espectro branco, o que acaba sendo uma limitação fundamental na precisão da medição. Todos os detectores são limitados ao ruído de tiro. Apesar de sua natureza fundamental, as correlações quânticas podem ser usadas para reduzir esse ruído.
Para fazer isso, você precisa se lembrar de um pouco de mecânica quântica. A incerteza de fase e a incerteza de amplitude do laser estão relacionadas pela relação de Heisenberg:
Em um feixe de laser convencional, essas incertezas são iguais. Porém, é possível comprimir a incerteza de fase aumentando a incerteza de amplitude - o principal é que seu produto satisfaça a relação de incerteza. Essa luz é chamada de grau G comprimido:
Usaremos esse truque para comprimir a incerteza de fase, permitindo-nos observar melhor o sinal. A propósito, os detectores de ondas gravitacionais já estão usando luz comprimida para todas as observações recentes. Até recentemente, fizemos um experimento em que brincamos com essa luz comprimida e escrevi sobre isso no Habré .
Assim, tendo descoberto o básico, vamos prosseguir para o experimento.
2. Nosso interferômetro
Em nosso experimento, usamos uma pequena membrana com um lado de 1 mm e uma espessura de apenas 50 nm como um pêndulo.


À esquerda: fotografia da membrana (pequena janela no centro da moldura cinza). A membrana é esticada como um tambor sobre uma moldura e vibra por dentro. À direita: ilustração do deslocamento da membrana.
Essa membrana oscila a uma frequência de cerca de 400 kHz, e seu fator Q (o número de oscilações antes da perda de metade da energia) é de cerca de 10 5 . Para fazer isso, no entanto, você deve colocá-lo no vácuo, caso contrário, o ar o pressiona com muita força e ele não vibra.
Também é bastante transparente: sua refletividade é de apenas 20%.
Isso não é muito conveniente, porque se essa membrana for usada em um interferômetro de Michelson, a maior parte do sinal será perdida. Pior ainda, quando queremos usar a luz comprimida, essas correlações quânticas também são perdidas e são especialmente sensíveis à perda. Portanto, decidimos usar uma configuração diferente do interferômetro, "dobrando" os dois braços do interferômetro de Michelson para que os dois espelhos fossem um - nossa membrana.
Em tal interferômetro, existem dois modos: uma parte da luz passa através da membrana e simplesmente deixa o interferômetro sem transportar qualquer sinal (este é o modo Sagnac). A outra parte é refletida e adquire uma fase proporcional ao deslocamento da membrana, e recebemos um sinal na saída do interferômetro.

Interferômetro Michelson-Sagnac
Uma das principais dificuldades do interferômetro é o seu ajuste: a luz deve se sobrepor idealmente no divisor de feixe central, caso contrário não ocorre interferência e perdemos em sensibilidade e em luz comprimida. Isso é especialmente difícil quando o interferômetro está dentro de uma câmara de vácuo ou criostato. Para deixar o interferômetro o mais estável possível, foi feito a partir de um único bloco de material com baixo coeficiente de expansão térmica, otimizando sua forma para que não se distorça ao resfriar. Também foi revestido com revestimento de ouro para isolá-lo tanto quanto possível da radiação de calor do exterior. Colocamos este bloco em um criostato, que poderia resfriá-lo até 20K (-253C).

Representação esquemática de um interferômetro

Fotografia desmontada do interferômetro: à esquerda - o interferômetro e os piezomotores deslocando os espelhos em baixas temperaturas. À direita está a membrana do suporte.
3. Luz comprimida
Recomendo a leitura do artigo sobre Habré, que é uma excelente introdução aos estados de luz comprimidos.
A luz comprimida pode ser criada de diferentes maneiras, e estamos usando um cristal não linear.
Quando um cristal é bombeado com fótons, um processo não linear resulta em dois fótons de um fóton bombeando a metade da energia (frequência) do fóton bombeando. Esses fótons se encontram em um estado quântico emaranhado . O fluxo de tais fótons emparelhados acaba sendo mais ordenado do que o fluxo de luz comum, porque o ruído do tiro é reduzido - efeito de compressão.
Nesse caso, a incerteza de fase será reduzida, no limite a zero, aumentando a incerteza de amplitude. Você pode fazer o oposto, reduzir a incerteza de amplitude. Em nossos experimentos, não estamos comprimindo a própria luz, mas flutuações quânticas do estado zero do campo (ou seja, o que é chamado de flutuações de vácuo). Para tal vácuo comprimido, a amplitude média é zero e há apenas incerteza de fase e amplitude.

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No experimento, primeiro usamos um processo não linear para criar um feixe de bombeamento, reduzindo o comprimento de onda de 1550nm para 775nm (SHG), e então usamos esse bombeamento para comprimir as flutuações de vácuo em um comprimento de onda de 1550nm. Em seguida, medimos a luz resultante em um interferômetro, alinhando-a com um feixe de laser em um divisor. Essa abordagem é chamada de detecção homódina .

Neste experimento, tivemos cerca de 8,7 dB de compressão na entrada do interferômetro (redução de ruído em 7,5 vezes), mas em geral podemos fazer uma compressão muito mais forte agora - até 30 vezes (15 dB). Como escrevi acima, a luz comprimida é muito suscetível à perda óptica, e a melhora na sensibilidade não foi tão significativa (4,8dB).
Dados de amostra
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4. Juntando tudo

Enviamos a luz comprimida para o interferômetro da porta de sinal. Ele passa pelo interferômetro e sai junto com o sinal do movimento da membrana. Ambos são direcionados ao detector homódino.
Todas as fases da luz devem ser controladas: os ressonadores devem permanecer em ressonância com o feixe principal, as fases da luz comprimida devem corresponder às fases do sinal, o interferômetro deve permanecer corretamente ajustado, o detector homodino deve medir a fase correta.
Como resultado, todos juntos ocupam uma grande sala:

Mais fotos


Como resultado, pudemos observar o movimento térmico de nossa membrana e resfriá-la até 100K e até 20K. Esse resfriamento podia ser observado diretamente no espectro de seu movimento: com a queda da temperatura, o ruído também diminuía. Por outro lado, usamos luz comprimida e suprimimos o ruído do tiro três vezes. O resultado é um protótipo de detector de ondas gravitacionais, no qual combinamos um interferômetro resfriado com compressão quântica pela primeira vez.

Mais importante ainda, demonstramos que é possível manter a afinação do interferômetro quando resfriado a baixas temperaturas e não introduzir perdas que reduziriam o grau de correlações quânticas no sistema.
A maior parte do trabalho foi feita por uma estudante de pós-graduação em nosso laboratório (as fotos são em sua maioria tiradas de sua dissertação) Fomos a esse resultado por mais de 6 anos, e tudo cabe nas 4 páginas do artigo. É assim que gastamos nosso tempo em laboratórios de óptica quântica. Da próxima vez, contarei a vocês sobre outro experimento e mostrarei mais detalhes internos da ótica e qualquer hikporn.
Interferometria de luz comprimida em uma membrana micro-mecânica resfriada criogenicamente
Por último, mas não menos importante, se você quiser me assistir enquanto tento descobrir como fazer Twitter científico em inglês, seja bem-vindo a @hbar_universe .