La tecnología cuántica nos ayuda en una amplia variedad de áreas. Por ejemplo, cuando necesitamos medir una señal muy débil y el ruido cuántico del sistema se interpone. Este es un problema tradicional, por ejemplo, en los detectores de ondas gravitacionales, en los que las fluctuaciones cuánticas en la amplitud y fase del láser utilizado para medir la posición de los espejos interfieren con la observación de ondas gravitacionales. Hablé de esto en mi artículo sobre el detector del Telescopio Einstein , que aparecerá en Europa en un futuro próximo.
En nuestro experimento, obtuvimos un pequeño prototipo de este detector.
Hoy se publicó una preimpresión de nuestro artículo sobre este experimento: Interferometría de luz exprimida en una membrana micromecánica criogénicamente enfriada .
1. Breve introducción
Hay muchas fuerzas débiles en la naturaleza que a los científicos les encantaría estudiar.
El problema es que no podemos medir directamente la fuerza, solo podemos observar su efecto en diferentes cuerpos.
La forma más fácil y eficaz de medir la fuerza es utilizar un péndulo. La fuerza mueve el péndulo y medimos ese desplazamiento. Cuando la frecuencia de la fuerza se acerca a la frecuencia de resonancia del péndulo, el desplazamiento aumenta mucho y podemos observar una buena señal.
Es conveniente utilizar luz para medir el desplazamiento del péndulo. Cuando proyectamos con un láser un péndulo cubierto con una sustancia reflectante, la fase de la luz reflejada contiene información sobre el desplazamiento del péndulo.
No podemos observar directamente la fase de la luz, para ello necesitamos un interferómetro.
Interferómetro de Michelson: un rayo láser se divide en dos partes iguales mediante un divisor de haz, reflejado desde espejos móviles, donde adquiere fase con información sobre su desplazamiento. Después de volver al divisor de haz, interfieren distintas fases del haz (se suman o restan las amplitudes), y en la salida vemos una señal proporcional al desplazamiento de los espejos.
No solo los detectores de ondas gravitacionales funcionan según este principio, sino también la mayoría de los sensores.
Desafortunadamente, además de la señal en dicho detector, habrá muchas otras fuentes de ruido.
Escribí sobre algunos de ellos en mi artículo sobre el detector del Telescopio Einstein , pero aquí me limitaré a solo dos.
1. Ruido térmico
Imaginemos un péndulo como un espejo suspendido de una cuerda.
El movimiento browniano térmico de las moléculas en este hilo conduce a excita las oscilaciones del espejo. Este movimiento es en principio aleatorio y se puede representar como una fuerza que actúa sobre el espejo a diferentes frecuencias. A frecuencias cercanas a la resonancia del péndulo, esta fuerza conduce a un aumento resonante en el desplazamiento del espejo. Y aunque el espectro de la fuerza térmica es blanco (es decir, la fuerza es la misma en todas las frecuencias), al medir el espectro del movimiento del espejo, veremos un pico característico en la frecuencia resonante.
Espectro de ruido térmico: desplazamiento del péndulo debido al ruido térmico a diferentes frecuencias. Cuanto menor sea la temperatura, menos ruido. Robado de aquí .
El ruido térmico depende de la temperatura (cuanto más baja, menos ruido) y de la calidad del hilo (la cantidad de pérdida). Estrictamente hablando, existe un teorema de fluctuación-disipación que conecta el ruido observado con la disipación en el sistema.
En consecuencia, en los futuros detectores de ondas gravitacionales, este ruido se combatirá de dos formas: enfriando las suspensiones (y espejos) y aumentando su calidad. En nuestro experimento, observamos un espectro de ruido térmico y lo reducimos usando enfriamiento, pero más sobre eso a continuación.
2. Ruido de disparo cuántico
la luz tiene una naturaleza cuántica, los fotones individuales vuelan con diferentes retrasos aleatorios. En otras palabras, la fase del haz de luz resulta aleatoria.
Cuando intentamos medir la señal de fase de una fuerza externa, está limitada por esta incertidumbre de fase. En el detector, vemos ruido de espectro blanco, que resulta ser una limitación fundamental en la precisión de la medición. Todos los detectores están limitados al ruido de disparo. A pesar de su naturaleza fundamental, las correlaciones cuánticas se pueden utilizar para reducir este ruido.
Para ello, es necesario recordar un poco de mecánica cuántica. La incertidumbre de fase y la incertidumbre de la amplitud del láser están relacionadas por la relación de Heisenberg:
En un rayo láser convencional, estas incertidumbres son iguales. Sin embargo, es posible comprimir la incertidumbre de fase aumentando la incertidumbre de amplitud; lo principal es que su producto satisface la relación de incertidumbre. Tal luz se llama grado G comprimido:
Usaremos ese truco para comprimir la incertidumbre de fase, lo que nos permitirá observar mejor la señal. Por cierto, los detectores de ondas gravitacionales ya utilizan luz comprimida para todas las observaciones recientes. Hasta hace poco, hicimos un experimento en el que jugábamos con esta luz comprimida, y escribí sobre ello en Habré .
Entonces, habiendo descubierto los conceptos básicos, pasemos al experimento.
2. Nuestro interferómetro
En nuestro experimento, usamos una pequeña membrana con un lado de 1 mm y un grosor de solo 50 nm como péndulo.
Izquierda: fotografía de la membrana (pequeña ventana en el centro del marco gris). La membrana se estira como un tambor sobre un marco y vibra por dentro. Derecha: ilustración del desplazamiento de la membrana.
Dicha membrana oscila a una frecuencia de aproximadamente 400 kHz y su factor Q (el número de oscilaciones antes de la pérdida de la mitad de la energía) es de aproximadamente 10 5 . Sin embargo, para hacer esto, debe colocarlo en el vacío, de lo contrario, el aire lo presiona con demasiada fuerza y no vibra.
También es bastante transparente: su reflectividad es solo del 20%.
Esto no es muy conveniente, porque si usa una membrana de este tipo en un interferómetro de Michelson, la mayor parte de la señal se perderá. Peor aún, cuando queremos usar luz comprimida, estas correlaciones cuánticas también se pierden y son especialmente sensibles a la pérdida. Así que decidimos usar una configuración diferente del interferómetro, "doblando" los dos brazos del interferómetro de Michelson para que los dos espejos resultaran ser uno: nuestra membrana.
En un interferómetro de este tipo, hay dos modos: una parte de la luz pasa a través de la membrana y simplemente sale del interferómetro sin transportar ninguna señal (este es el modo Sagnac). La otra parte se refleja y adquiere una fase proporcional al desplazamiento de la membrana, y recibimos una señal a la salida del interferómetro.
Interferómetro de Michelson-Sagnac
Una de las principales dificultades del interferómetro es su ajuste: la luz debe superponerse idealmente en el divisor del haz central, de lo contrario no se producirán interferencias y perdemos sensibilidad y luz comprimida. Esto es especialmente difícil cuando el interferómetro está dentro de una cámara de vacío o criostato. Para que el interferómetro sea lo más estable posible, lo hicimos a partir de un solo bloque de material con un bajo coeficiente de expansión térmica, optimizando su forma para que no se doble al enfriarse. También se recubre con un baño de oro para aislarlo lo más posible de la radiación térmica del exterior. Ponemos este bloque en un criostato, que podría enfriarlo a 20K (-253C).
Representación esquemática de un interferómetro
Fotografía desmontada del interferómetro: a la izquierda, el interferómetro y los piezomotores desplazando los espejos a bajas temperaturas. A la derecha está la membrana en el soporte.
3. Luz comprimida
Recomiendo leer el artículo sobre Habré, que es una excelente introducción a los estados exprimidos de la luz.
La luz comprimida se puede crear de diferentes formas y estamos usando un cristal no lineal.
Cuando un cristal se bombea con fotones, un proceso no lineal da como resultado dos fotones de un fotón de bombeo a la mitad de la energía (frecuencia) del fotón de bombeo. Estos fotones se encuentran en un estado cuántico entrelazado . El flujo de estos fotones emparejados resulta ser más ordenado que el flujo de luz ordinaria, porque se reduce el ruido de disparo - efecto de compresión.
En este caso, la incertidumbre de fase se reducirá, en el límite a cero, aumentando la incertidumbre de amplitud. Puede hacer lo contrario, reducir la incertidumbre de amplitud. En nuestros experimentos, no estamos comprimiendo la luz en sí, sino fluctuaciones cuánticas del estado cero del campo (es decir, lo que se llama fluctuaciones de vacío). Para tal vacío comprimido, la amplitud promedio es cero y solo hay incertidumbre de fase y amplitud.
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En el experimento, primero usamos un proceso no lineal para crear un rayo de bombeo, reduciendo la longitud de onda de 1550 nm a 775 nm (SHG), y luego usamos este bombeo para comprimir las fluctuaciones de vacío a una longitud de onda de 1550 nm. Luego medimos la luz resultante en un interferómetro, alineándola con un rayo láser en un divisor. Este enfoque se llama detección homodina .
En este experimento, teníamos alrededor de 8,7 dB de compresión en la entrada del interferómetro (reducción de ruido en 7,5 veces), pero en general ahora podemos hacer una compresión mucho más fuerte, hasta 30 veces (15 dB). Como escribí anteriormente, la luz comprimida es muy susceptible a la pérdida óptica y la mejora en la sensibilidad no fue tan significativa (4.8dB).
Data de muestra
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4. Poniéndolo todo junto
Enviamos la luz comprimida al interferómetro desde el puerto de señal. Pasa a través del interferómetro y retrocede junto con la señal del movimiento de la membrana. Ambos se dirigen a un detector homodino.
Se deben controlar todas las fases de la luz: los resonadores deben permanecer en resonancia con el haz principal, las fases de la luz comprimida deben coincidir con las fases de la señal, el interferómetro debe permanecer correctamente sintonizado, el detector homodino debe medir la fase correcta.
Como resultado, todo junto ocupa una gran sala:
Mas imagenes
Como resultado, pudimos observar el movimiento térmico de nuestra membrana y enfriarla a 100K y hasta 20K. Este enfriamiento se pudo observar directamente en el espectro de su movimiento: al disminuir la temperatura, el ruido también disminuyó. Por otro lado, usamos luz comprimida y suprimimos el ruido de disparo tres veces. El resultado es un prototipo de detector de ondas gravitacionales, en el que combinamos por primera vez un interferómetro refrigerado con compresión cuántica.
Lo más importante es que demostramos que es posible mantener la sintonización del interferómetro cuando se enfría a bajas temperaturas y no introducir pérdidas que reducirían el grado de correlaciones cuánticas en el sistema.
La mayor parte del trabajo fue realizado por una estudiante de posgrado en nuestro laboratorio (las imágenes se toman principalmente de su disertación). Fuimos a este resultado durante más de 6 años, y todo cabe en 4 páginas del artículo. Así es como pasamos nuestro tiempo en los laboratorios de óptica cuántica. La próxima vez les contaré sobre otro experimento y les mostraré más aspectos internos de la óptica y cualquier hikporn.
Interferometría de luz exprimida en una membrana micromecánica enfriada criogénicamente
Por último, pero no menos importante, si quieren verme mientras trato de descubrir cómo hacer Twitter científico en inglés, bienvenidos a @hbar_universe .