Физики из Института гравитационной физики (Университет Лейбница) добились рекордного сжатия квантового состояния света. Ученые добились уменьшения флуктуаций амплитуды в 32 раза по сравнению со значениями флуктуаций в традиционных измерениях. Это в полтора раза улучшает предыдущий рекорд. Подобные сжатые состояния применяются, например, в детекторах гравитационных волн для увеличения чувствительности и точности приборов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Сжатые состояния света имеют прямое отношение к неопределенности Гейзенберга — это свойство квантового мира не позволяет со сколь угодно большой точностью измерить некоторые пары параметров частиц. Классический пример — неопределенность координаты и импульса: для того чтобы точно узнать координату, нам придется пожертвовать знаниями об импульсе частицы, и наоборот. Таким же образом для фотона нельзя одновременно точно определить и амплитуду и фазу его колебаний. В результате при попытке измерить волновой фронт или получить интерференционную картину в данные вмешиваются квантовые флуктуации. 

Схема установки. Henning Vahlbruch et al. / PRL, 2016

В случае интерференционных измерений, например, главную роль в точности играет неопределенность фазы. Поэтому данными об амплитуде колебаний можно пожертвовать. Для таких измерений ученые разрабатывают специальные техники генерации и детектирования фотонов. Термин «сжатый» относится к тому, как выглядит условное пятно погрешностей измерения фотона — большие и вытянутые флуктуации амплитуды и сжатые флуктуации фазы. Использование сжатого света в гравитационном детекторе GEO600 позволило увеличить его точность в 3,4 раза.

Схема сжатия света в нелинейной оптической среде с эффектом Керра. Радиус-вектор обозначает амплитуду колебаний фотонов, угол — фазу. I. Rigas et al. / New Journal of Physics, 2013

Как правило, для создания сжатого света используются нелинейные оптические явления, например, превращение одного фотона в два новых с энергией в два раза меньше исходного, которое известно как спонтанное параметрическое рассеяние. В результате этого процесса физики получают две сильно коррелированные частицы. Информацию об этой корреляции и используют для снижения квантовых шумов и повышения точности. Максимальную степень сжатия ограничивают два процесса — потеря фотонов (из-за рассеяния и неидеальности оптических приборов) и собственные шумы детекторов. Поэтому физики стремятся построить как можно более надежную схему для получения сжатых фотонов. 

Новый рекорд соответствует уменьшению флуктуации в сжатом свете, по сравнению с классическими измерениями, в 32 раза. Интересно, что предыдущий рекорд также был установлен авторами нового исследования — он соответствовал 19-кратному уменьшению флуктуаций. Результат был получен на инфракрасном свете с длиной волны 1064 нанометра — именно такую длину волны используют современные гравитационные обсерватории. 

Ранее о разработках источников и детекторов сжатого света и о возможности использования их в детекторах гравитационных волн LIGO рассказал участник коллаборации Сергей Вятчанин. Гравитационные обсерватории представляют собой огромные интерферометры с протяженностью плеч в сотни метров или даже несколько километров. В случае прохождения гравитационной волны — колебания метрики пространства — у света возникает смещение в фазе в одном или обоих плечах. Это влияет на интерференционную картину от сложения лучей из двух плеч. 

Современная точность детектора позволила зафиксировать два события гравитационных волн (1, 2). Каждая из них вносила разницу в длине плеч на уровне h=1×10^-21. Для четырехкилометровых плеч LIGO эта разница сравнима с размером атомного ядра.

Автор: Владимир Королёв