光量子挤压器：室温下降低量子噪声的新技术

新型的光量子挤压器可以通过光和机械运动的量子关联来降低量子噪声，从而有望在量子计算和引力波探测等领域进行更精确的测量。

撰文 | 乌鸦少年

最近，麻省理工学院LIGO（激光干涉引力波天文台）实验室主导的一个科研团队设计了一种光量子挤压器（quantum light squeezer），第一次在室温下将入射激光束的量子噪声降低15%，达到低于标准量子极限的水平。这是第一种可以在室温下工作的光挤压器，它将能进一步改进受量子噪音限制的高精度激光测量与调制，在量子计算和引力波探测等领域进行更精确的测量。相关成果发表在近期的《自然·物理》杂志上。

这种光量子挤压器的核心构造是一个只有弹珠大小的光学共振腔。共振腔安置在真空室中，包含两面镜子，其中较大的镜片是固定的，而另一个较小的镜片则是整个系统的核心部件，它比一根头发丝的直径还小，质量仅为50纳克（1纳克为10^（-9）克），悬挂在一根弹簧状的悬臂上，可来回移动。一个光子就可以稍稍影响小镜片的运动状态。

光量子挤压器艺术图 | 来源：Christine Daniloff, MIT

一束激光光子进入共振腔时，会在两面镜子之间来回反射。光子的辐射压对较小的镜片施加力的作用，使之来回摆动，这样激光光子离开共振腔时就会处于一种特殊的挤压状态。

挤压光如何降低量子噪声？激光中包含有大量光子，这些光子以同步的波的形式流出，产生明亮、聚焦的光束。虽然激光束整体上是有序且同步的波，但光子实际上是离散的粒子，这些单个的光子仍然具有一定的随机性。正如抛掷大量硬币时，会有1/2的概率得到正面朝上，另外1/2的概率得到背面朝上，当抛掷的次数较少时，正面或背面朝上的概率就会偏离1/2，也就是存在涨落。在任意给定的时间内，激光中到达探测器的的光子数量会围绕着一个平均值上下波动，这与它的振幅有关，存在难以预测的量子涨落。与此类似，光子到达探测器的时间与它的相位有关，也会围绕着一个平均值上下波动。

其中，测量光相位时的误差会产生散粒噪声，测量光振幅时的误差会产生辐射压噪声。这两者合起来被称为量子噪声，它决定了任何测量可以实现的最高精度都不能超过标准量子极限。

标准量子极限的存在是海森堡不确定性原理的直接后果。根据这一原理，我们不可能同时精确地测量一个物体的位置和动量。在单次的测量中，情况确实如此。然而，当我们需要连续地测量一个物体的位置时，测量位置的行为会引入动量的不确定性，这会进一步演化为位置测量的不确定性，这个过程被称作量子反作用（quantum back action）。当我们努力在位置测量的精确性和量子反作用导致的不精确性之间权衡时，可以达到的最高精度就是标准量子极限。

光是电磁场的激发，而电磁场可以被描述为两个振荡分量的组合：一个分量与电磁波的振幅有关，另一个与相位有关。这两者的涨落也遵循海森堡不确定性原理。对于光的干涉测量而言，只要振幅和相位的不确定性是彼此不相关的，那么测量精度的上限就是标准量子极限。反之，如果让振幅和相位的不确定性之间存在关联，那么测量的精度就可以大大提高，从而回避标准量子极限的约束。

振幅和相位的不确定性存在关联的光被称为挤压光。对于挤压光而言，海森堡不确定性原理仍然适用，只是其中一种性质的不确定性降低，而另一种的不确定性增加了。如果将光的振幅和相位的不确定性用一个圆来表示，一个完美的圆形表示这两个性质具有同样的不确定性。当圆被挤压成椭圆时，就表示其中一个性质具有较小的不确定性，而另一个性质具有较大的不确定性。

我们可从不同角度挤压光，来改变这两种特性的不确定性的比率。例如对于下图中的光，相位的不确定性降低了，而振幅的不确定性增加了。当光的频率不同时，它可能以一种不同的方式被挤压，比如相位的不确定性增加，而振幅的不确定性降低。

未受到挤压的光（上）和相位被挤压的光（下）| 来源：nature

在室温下产生挤压光那么，要如何产生挤压光呢？其中一种方式就是通过光量子挤压器这样的光机械系统。

光进入共振腔时，与光的相位和振幅相关的量子涨落彼此不相关。当入射光到达镜片时，光子的辐射压会对镜片施加力的作用，这个力的大小与给定时间内撞击镜片的光子数量成正比。另一方面，镜片在这段时间内移动的距离与光子到达镜片的时间有关，因而导致光波发生相位的移动。当然，我们无法同时知道一段时间内到达镜面的光子数量和时间的精确值，但通过这个系统，可以建立振幅和相位这两个量子特性之间的关联，进而调整它们的不确定性的比率，并降低整体的量子噪声。这样，当光离开共振腔时就变成了挤压光。

当光在共振腔中传播时，光子的辐射压会引起镜片的振动，进而导致共振腔中的光波发生相位的移动，这就让振幅和相位产生了量子关联，当光离开共振腔时就变成了挤压光。| 来源：Nature

事实上，要在室温条件下实现挤压光是非常困难的，这是因为室温下周围环境中的热量已经足以影响系统的可移动部件，热量涨落造成的抖动会淹没量子噪声的任何影响。在此之前，为了屏蔽热噪声，研究人员不得不将系统冷却到10开尔文（零下263摄氏度）左右。对低温的依赖无疑极大地限制了光量子挤压器的应用场景。

为此，研究人员设计了新的光量子挤压器，其核心部件是由砷化镓和砷化镓铝的交替层制造而成的70微米宽的反射镜。这两种晶体材料都具有纯净且高度有序的原子结构，只会吸收很少的热量，将使热量驱动的电子碰撞被极大地抑制。这就意味着镜片的振动主要将由激光的辐射压所导致，而不是由于热涨落产生的抖动，因而也就无须外部系统来冷却。

这篇论文的第一作者Nancy Aggarwal解释说：“在无序的材料中，电子有很大的空间可以四处移动并碰撞，产生热运动。而在更为有序和纯净的材料中，则只有较小的空间将能量耗散掉。”

利用新的光量子挤压器，研究人员就能够描述当激光在两面镜子之间反弹时，光的相位和振幅的量子涨落。这一特性使得室温下激光的量子噪声降低了15%，产生了可用于精确测量的挤压光。

帮助探测到更微弱的引力波事实上，麻省理工学院LIGO实验室的研究人员已经将这个光量子挤压器安装在LIGO的探测器上，用来研究干涉仪内激光产生的量子噪声。

2015年9月14日，LIGO第一次探测到了两颗巨大黑洞碰撞产生的引力波。当两颗巨大的天体碰撞时，时空被有节奏地拉伸和压缩，如水中涟漪般传播出去，这就是引力波。不同于一般天文望远镜观测的光波和其他电磁波，或者宇宙射线中的粒子，引力波的信号要微弱得多。例如，当那次引力波经过遥远的距离到达地球时，它的振幅已经衰减到仅相当于原子核大小的数千分之一。而LIGO就是被设计用来探测这些来自遥远宇宙的微弱信号。

LIGO主要由两个探测器组成，一个位于华盛顿的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器都是一个L形的干涉仪，由两个垂直的4公里长的臂组成。在两条臂的末端各悬挂着一个40公斤重的镜片，形成一个光学共振腔。激光从干涉仪的激光器发出，分光镜会将其分成两束完全相同的光。激光到达镜面后反射回起点，并产生干涉图样。如果没有引力波的干扰，这两束激光会恰好在同一时间返回，并完全抵消。而如果此时引力波恰好经过地球，它会短暂地扰动干涉仪臂的长度，拉伸其中一个，而压缩另一个，这样两束激光行经的距离不再相同，它们返回时不再能完全抵消，从而可以探测到光干涉信号。

LIGO探测引力波的原理示意图。| 来源：nobelprize.org

要用如此巨大的设备来测量比原子核还要小得多的距离变化，研究人员需要做大量的工作来避免外部噪音对干涉仪的扰动。无论是附近道路上经过的卡车，还是树林里的落叶，都不能让干涉仪产生晃动。镜面上原子的热运动、激光产生的量子噪声也都应该剔除掉。只有当引力波信号产生的影响比这些扰动更大时，LIGO干涉仪才能探测到引力波。而如果降低辐射压噪声，也就有可能探测到更微弱的引力波信号。研究人员想要知道，新的光量子挤压器是否可以用来降低探测器内的背景量子噪音，即LIGO的激光产生的散粒噪声与辐射压噪声，从而最终提高LIGO探测引力波的灵敏度。

他们首先测量了LIGO干涉仪内部的总体噪声，这既包括量子噪声，也包括经典噪声，即热量涨落以及日常现象产生的振动干扰等。在从数据中剔除掉经典噪声后，他们观察到，干涉仪内的辐射压噪声足以使40公斤重的镜片移动约10^（-20）米（作为对比，氢原子的直径约为10^（-10）米），也就是说，它会对宏观物体施加可测量的力的作用。

接下来，研究人员打开光量子挤压器，从不同角度挤压LIGO干涉仪内的激光，以改变振幅和相位的不确定性的比率。结果发现，挤压光会导致LIGO的激光相位的不确定性（导致散粒噪声）和镜面位置的不确定性（导致辐射压噪声）之间产生关联，由此产生的组合量子噪声只有标准量子极限的70%。

这是人们第一次在引力波探测中实现量子非破坏性测量。在量子非破坏性测量中，量子关联的存在阻止了系统对测量的信息的破坏，因而可以连续、精确地测量一些物理量，例如LIGO干涉仪中镜片的移动。

LIGO/Virgo 探测器可以探测的天体质量。图中展示了相互绕转的两个天体发生碰撞前各自的质量，以及碰撞后合并形成的天体的质量。| 来源：LIGO-Virgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky

从2019年4月1日开始，LIGO探测器启动了它的第三轮观测计划，并且已经安装了新的光量子挤压器来提高引力波探测器的灵敏度。在此之前，引力波探测器往往并不考虑激光相位与干涉仪镜片之间的关联，但新的光量子挤压器可以从不同角度挤压激光，改变其振幅和相位不确定性的比率，使得散粒噪声与辐射压噪声的总和最小，这将最大限度地提高LIGO探测器的灵敏度。随着引力波探测灵敏度的提高，我们将有可能探测到更微弱、更遥远的引力波。除此之外，对于量子噪声限制了更精确测量的其他领域，光量子挤压器也将发挥重要作用。

参考资料

[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