新型的光量子擠壓器可以通過光和機械運動的量子關聯來降低量子噪聲，從而有望在量子計算和引力波探測等領域進行更精確的測量。
撰文 | 烏鴉少年
最近，麻省理工學院LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）實驗室主導的一個科研團隊設計了一種光量子擠壓器（quantum light squeezer），第一次在室溫下將入射雷射束的量子噪聲降低15%，達到低於標準量子極限的水平。這是第一種可以在室溫下工作的光擠壓器，它將能進一步改進受量子噪音限制的高精度雷射測量與調製，在量子計算和引力波探測等領域進行更精確的測量。相關成果發表在近期的《自然·物理》雜誌上。
這種光量子擠壓器的核心構造是一個只有彈珠大小的光學共振腔。共振腔安置在真空室中，包含兩面鏡子，其中較大的鏡片是固定的，而另一個較小的鏡片則是整個系統的核心部件，它比一根頭髮絲的直徑還小，質量僅為50納克（1納克為10^（-9）克），懸掛在一根彈簧狀的懸臂上，可來回移動。一個光子就可以稍稍影響小鏡片的運動狀態。
光量子擠壓器藝術圖 | 來源：Christine Daniloff, MIT
一束雷射光子進入共振腔時，會在兩面鏡子之間來回反射。光子的輻射壓對較小的鏡片施加力的作用，使之來回擺動，這樣雷射光子離開共振腔時就會處於一種特殊的擠壓狀態。
擠壓光如何降低量子噪聲？
雷射中包含有大量光子，這些光子以同步的波的形式流出，產生明亮、聚焦的光束。雖然雷射束整體上是有序且同步的波，但光子實際上是離散的粒子，這些單個的光子仍然具有一定的隨機性。正如拋擲大量硬幣時，會有1/2的概率得到正面朝上，另外1/2的概率得到背面朝上，當拋擲的次數較少時，正面或背面朝上的概率就會偏離1/2，也就是存在漲落。在任意給定的時間內，雷射中到達探測器的的光子數量會圍繞著一個平均值上下波動，這與它的振幅有關，存在難以預測的量子漲落。與此類似，光子到達探測器的時間與它的相位有關，也會圍繞著一個平均值上下波動。
其中，測量光相位時的誤差會產生散粒噪聲，測量光振幅時的誤差會產生輻射壓噪聲。這兩者合起來被稱為量子噪聲，它決定了任何測量可以實現的最高精度都不能超過標準量子極限。
標準量子極限的存在是海森堡不確定性原理的直接後果。根據這一原理，我們不可能同時精確地測量一個物體的位置和動量。在單次的測量中，情況確實如此。然而，當我們需要連續地測量一個物體的位置時，測量位置的行為會引入動量的不確定性，這會進一步演化為位置測量的不確定性，這個過程被稱作量子反作用（quantum back action）。當我們努力在位置測量的精確性和量子反作用導致的不精確性之間權衡時，可以達到的最高精度就是標準量子極限。
光是電磁場的激發，而電磁場可以被描述為兩個振蕩分量的組合：一個分量與電磁波的振幅有關，另一個與相位有關。這兩者的漲落也遵循海森堡不確定性原理。對於光的幹涉測量而言，只要振幅和相位的不確定性是彼此不相關的，那麼測量精度的上限就是標準量子極限。反之，如果讓振幅和相位的不確定性之間存在關聯，那麼測量的精度就可以大大提高，從而迴避標準量子極限的約束。
振幅和相位的不確定性存在關聯的光被稱為擠壓光。對於擠壓光而言，海森堡不確定性原理仍然適用，只是其中一種性質的不確定性降低，而另一種的不確定性增加了。如果將光的振幅和相位的不確定性用一個圓來表示，一個完美的圓形表示這兩個性質具有同樣的不確定性。當圓被擠壓成橢圓時，就表示其中一個性質具有較小的不確定性，而另一個性質具有較大的不確定性。
我們可從不同角度擠壓光，來改變這兩種特性的不確定性的比率。例如對於下圖中的光，相位的不確定性降低了，而振幅的不確定性增加了。當光的頻率不同時，它可能以一種不同的方式被擠壓，比如相位的不確定性增加，而振幅的不確定性降低。
未受到擠壓的光（上）和相位被擠壓的光（下）| 來源：nature
在室溫下產生擠壓光
那麼，要如何產生擠壓光呢？其中一種方式就是通過光量子擠壓器這樣的光機械系統。
光進入共振腔時，與光的相位和振幅相關的量子漲落彼此不相關。當入射光到達鏡片時，光子的輻射壓會對鏡片施加力的作用，這個力的大小與給定時間內撞擊鏡片的光子數量成正比。另一方面，鏡片在這段時間內移動的距離與光子到達鏡片的時間有關，因而導致光波發生相位的移動。當然，我們無法同時知道一段時間內到達鏡面的光子數量和時間的精確值，但通過這個系統，可以建立振幅和相位這兩個量子特性之間的關聯，進而調整它們的不確定性的比率，並降低整體的量子噪聲。這樣，當光離開共振腔時就變成了擠壓光。
當光在共振腔中傳播時，光子的輻射壓會引起鏡片的振動，進而導致共振腔中的光波發生相位的移動，這就讓振幅和相位產生了量子關聯，當光離開共振腔時就變成了擠壓光。| 來源：Nature
事實上，要在室溫條件下實現擠壓光是非常困難的，這是因為室溫下周圍環境中的熱量已經足以影響系統的可移動部件，熱量漲落造成的抖動會淹沒量子噪聲的任何影響。在此之前，為了屏蔽熱噪聲，研究人員不得不將系統冷卻到10開爾文（零下263攝氏度）左右。對低溫的依賴無疑極大地限制了光量子擠壓器的應用場景。
為此，研究人員設計了新的光量子擠壓器，其核心部件是由砷化鎵和砷化鎵鋁的交替層製造而成的70微米寬的反射鏡。這兩種晶體材料都具有純淨且高度有序的原子結構，只會吸收很少的熱量，將使熱量驅動的電子碰撞被極大地抑制。這就意味著鏡片的振動主要將由雷射的輻射壓所導致，而不是由於熱漲落產生的抖動，因而也就無須外部系統來冷卻。
這篇論文的第一作者Nancy Aggarwal解釋說：「在無序的材料中，電子有很大的空間可以四處移動並碰撞，產生熱運動。而在更為有序和純淨的材料中，則只有較小的空間將能量耗散掉。」
利用新的光量子擠壓器，研究人員就能夠描述當雷射在兩面鏡子之間反彈時，光的相位和振幅的量子漲落。這一特性使得室溫下雷射的量子噪聲降低了15%，產生了可用於精確測量的擠壓光。
幫助探測到更微弱的引力波
事實上，麻省理工學院LIGO實驗室的研究人員已經將這個光量子擠壓器安裝在LIGO的探測器上，用來研究幹涉儀內雷射產生的量子噪聲。
2015年9月14日，LIGO第一次探測到了兩顆巨大黑洞碰撞產生的引力波。當兩顆巨大的天體碰撞時，時空被有節奏地拉伸和壓縮，如水中漣漪般傳播出去，這就是引力波。不同於一般天文望遠鏡觀測的光波和其他電磁波，或者宇宙射線中的粒子，引力波的信號要微弱得多。例如，當那次引力波經過遙遠的距離到達地球時，它的振幅已經衰減到僅相當於原子核大小的數千分之一。而LIGO就是被設計用來探測這些來自遙遠宇宙的微弱信號。
LIGO主要由兩個探測器組成，一個位於華盛頓的漢福德，另一個位於路易斯安那州的利文斯頓。每個探測器都是一個L形的幹涉儀，由兩個垂直的4公裡長的臂組成。在兩條臂的末端各懸掛著一個40公斤重的鏡片，形成一個光學共振腔。雷射從幹涉儀的雷射器發出，分光鏡會將其分成兩束完全相同的光。雷射到達鏡面後反射回起點，並產生幹涉圖樣。如果沒有引力波的幹擾，這兩束雷射會恰好在同一時間返回，並完全抵消。而如果此時引力波恰好經過地球，它會短暫地擾動幹涉儀臂的長度，拉伸其中一個，而壓縮另一個，這樣兩束雷射行經的距離不再相同，它們返回時不再能完全抵消，從而可以探測到光幹涉信號。
LIGO探測引力波的原理示意圖。| 來源：nobelprize.org
要用如此巨大的設備來測量比原子核還要小得多的距離變化，研究人員需要做大量的工作來避免外部噪音對幹涉儀的擾動。無論是附近道路上經過的卡車，還是樹林裡的落葉，都不能讓幹涉儀產生晃動。鏡面上原子的熱運動、雷射產生的量子噪聲也都應該剔除掉。只有當引力波信號產生的影響比這些擾動更大時，LIGO幹涉儀才能探測到引力波。而如果降低輻射壓噪聲，也就有可能探測到更微弱的引力波信號。研究人員想要知道，新的光量子擠壓器是否可以用來降低探測器內的背景量子噪音，即LIGO的雷射產生的散粒噪聲與輻射壓噪聲，從而最終提高LIGO探測引力波的靈敏度。
他們首先測量了LIGO幹涉儀內部的總體噪聲，這既包括量子噪聲，也包括經典噪聲，即熱量漲落以及日常現象產生的振動幹擾等。在從數據中剔除掉經典噪聲後，他們觀察到，幹涉儀內的輻射壓噪聲足以使40公斤重的鏡片移動約10^（-20）米（作為對比，氫原子的直徑約為10^（-10）米），也就是說，它會對宏觀物體施加可測量的力的作用。
接下來，研究人員打開光量子擠壓器，從不同角度擠壓LIGO幹涉儀內的雷射，以改變振幅和相位的不確定性的比率。結果發現，擠壓光會導致LIGO的雷射相位的不確定性（導致散粒噪聲）和鏡面位置的不確定性（導致輻射壓噪聲）之間產生關聯，由此產生的組合量子噪聲只有標準量子極限的70%。
這是人們第一次在引力波探測中實現量子非破壞性測量。在量子非破壞性測量中，量子關聯的存在阻止了系統對測量的信息的破壞，因而可以連續、精確地測量一些物理量，例如LIGO幹涉儀中鏡片的移動。
LIGO/Virgo 探測器可以探測的天體質量。圖中展示了相互繞轉的兩個天體發生碰撞前各自的質量，以及碰撞後合併形成的天體的質量。| 來源：LIGO-Virgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky
從2019年4月1日開始，LIGO探測器啟動了它的第三輪觀測計劃，並且已經安裝了新的光量子擠壓器來提高引力波探測器的靈敏度。在此之前，引力波探測器往往並不考慮雷射相位與幹涉儀鏡片之間的關聯，但新的光量子擠壓器可以從不同角度擠壓雷射，改變其振幅和相位不確定性的比率，使得散粒噪聲與輻射壓噪聲的總和最小，這將最大限度地提高LIGO探測器的靈敏度。隨著引力波探測靈敏度的提高，我們將有可能探測到更微弱、更遙遠的引力波。除此之外，對於量子噪聲限制了更精確測量的其他領域，光量子擠壓器也將發揮重要作用。
參考資料
[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