La technologie quantique nous aide dans une grande variété de domaines. Par exemple, lorsque nous devons mesurer un signal très faible, le bruit quantique du système nous gêne. C'est un problème traditionnel, par exemple, dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, dans lesquels les fluctuations quantiques de l'amplitude et de la phase du laser utilisé pour mesurer la position des miroirs interfèrent avec l'observation des ondes gravitationnelles. J'en ai parlé dans mon article sur le détecteur du télescope Einstein , qui apparaîtra prochainement en Europe.
Dans notre expérience, nous avons obtenu un petit prototype de ce détecteur.
Une pré-impression de notre article sur cette expérience a été publiée aujourd'hui: Interférométrie à lumière comprimée sur une membrane micro-mécanique refroidie par cryogénie .
1. Brève introduction
Il existe de nombreuses forces faibles dans la nature que les scientifiques aimeraient étudier.
Le problème est que nous ne pouvons pas mesurer directement la force, mais seulement observer son effet sur différents corps.
Le moyen le plus simple et le plus efficace de mesurer la force est d'utiliser un pendule. La force déplace le pendule et nous mesurons ce déplacement. Lorsque la fréquence de la force est proche de la fréquence de résonance du pendule, le déplacement est grandement amélioré et on peut observer un bon signal.
Il est pratique d'utiliser la lumière pour mesurer le déplacement du pendule. Lorsque nous projetons un laser sur un pendule recouvert d'une substance réfléchissante, la phase de la lumière réfléchie contient des informations sur le déplacement du pendule.
Nous ne pouvons pas observer directement la phase de la lumière, pour cela nous avons besoin d'un interféromètre.
Interféromètre de Michelson: un faisceau laser est divisé en deux parties égales par un séparateur de faisceau, réfléchi par des miroirs mobiles, où il acquiert une phase avec des informations sur leur déplacement. Après retour au séparateur de faisceau, différentes phases du faisceau interfèrent (les amplitudes sont ajoutées ou soustraites), et en sortie on voit un signal proportionnel au déplacement des miroirs.
Non seulement les détecteurs d'ondes gravitationnelles fonctionnent sur ce principe, mais également la plupart des capteurs.
Malheureusement, en plus du signal dans un tel détecteur, il y aura de nombreuses autres sources de bruit.
J'ai écrit sur certains d'entre eux dans mon article sur le détecteur du télescope Einstein , mais ici je me limiterai à seulement deux.
1. Bruit thermique
Imaginez un pendule comme un miroir suspendu par une corde.
Le mouvement brownien thermique des molécules de ce fil conduit à exciter les oscillations du miroir. Ce mouvement est en principe aléatoire et peut être représenté comme une force agissant sur le miroir à différentes fréquences. Aux fréquences proches de la résonance du pendule, cette force conduit à une augmentation résonnante du déplacement du miroir. Et bien que le spectre de la force thermique soit blanc (c'est-à-dire que la force est la même à toutes les fréquences), lors de la mesure du spectre du mouvement du miroir, nous verrons un pic caractéristique à la fréquence de résonance.
Spectre de bruit thermique: déplacement du pendule dû au bruit thermique à différentes fréquences. Plus la température est basse, moins il y a de bruit. Volé d'ici .
Le bruit thermique dépend de la température (la plus basse, le moins de bruit) et de la qualité du fil (la quantité de perte). À proprement parler, il existe un théorème de fluctuation-dissipation qui relie le bruit observé à la dissipation dans le système.
Ainsi, dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, ce bruit sera combattu de deux manières: en refroidissant les suspensions (et miroirs) et en augmentant leur qualité. Dans notre expérience, nous avons observé un spectre de bruit thermique et l'avons réduit en utilisant le refroidissement, mais plus à ce sujet ci-dessous.
2. Bruit de tir quantique
la lumière a une nature quantique, les photons individuels volent avec différents retards aléatoires. En d'autres termes, la phase du faisceau lumineux s'avère aléatoire.
Lorsque nous essayons de mesurer le signal de phase à partir d'une force externe, il est limité par cette incertitude de phase. Sur le détecteur, nous voyons un bruit du spectre blanc, qui s'avère être une limitation fondamentale de la précision de mesure. Tous les détecteurs sont limités au bruit de tir. Malgré sa nature fondamentale, les corrélations quantiques peuvent être utilisées pour réduire ce bruit.
Pour ce faire, vous devez vous rappeler un peu de mécanique quantique. L'incertitude de phase et l'incertitude d'amplitude laser sont liées par la relation de Heisenberg:
Dans un faisceau laser conventionnel, ces incertitudes sont égales. Cependant, il est possible de compresser l' incertitude de phase en augmentant l'incertitude d'amplitude - l'essentiel est que leur produit satisfasse la relation d'incertitude. Une telle lumière est appelée compressée au degré G:
Nous utiliserons une telle astuce pour compresser l'incertitude de phase, ce qui nous permettra de mieux observer le signal. En passant, les détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisent déjà la lumière comprimée pour toutes les observations récentes. Jusqu'à récemment, nous avons fait une expérience où nous avons joué avec cette lumière pressée, et j'en ai écrit sur Habré .
Donc, après avoir compris les bases, passons à l'expérience.
2. Notre interféromètre
Dans notre expérience, nous avons utilisé une petite membrane avec un côté de 1 mm et une épaisseur de seulement 50 nm comme pendule.
À gauche: photographie de la membrane (petite fenêtre au centre du cadre gris). La membrane est tendue comme un tambour sur un cadre et vibre à l'intérieur. À droite: illustration du déplacement de la membrane.
Une telle membrane oscille à une fréquence d'environ 400 kHz, et son facteur Q (le nombre d'oscillations avant la perte de la moitié de l'énergie) est d'environ 10 5 . Pour ce faire, cependant, vous devez le placer sous vide, sinon l'air appuie trop dessus et il ne vibre pas.
Il est également assez transparent: sa réflectivité n'est que de 20%.
Ce n'est pas très pratique, car si une telle membrane est utilisée dans un interféromètre de Michelson, la majeure partie du signal sera perdue. Pire encore, lorsque nous voulons utiliser de la lumière comprimée, ces corrélations quantiques sont également perdues, et elles sont particulièrement sensibles à la perte. Nous avons donc décidé d'utiliser une configuration différente de l'interféromètre, "pliant" les deux bras de l'interféromètre de Michelson de sorte que les deux miroirs se sont avérés être un seul - notre membrane.
Dans un tel interféromètre, il existe deux modes: une partie de la lumière traverse la membrane, et sort simplement de l'interféromètre sans porter de signal (c'est le mode Sagnac). L'autre partie est réfléchie et acquiert une phase proportionnelle au déplacement de la membrane, et nous recevons un signal en sortie de l'interféromètre.
Interféromètre de Michelson-Sagnac
L'une des principales difficultés de l'interféromètre est son réglage: la lumière doit idéalement se chevaucher au niveau du séparateur de faisceau central, sinon les interférences ne se produisent pas, et nous perdons en sensibilité et en lumière comprimée. Ceci est particulièrement difficile lorsque l'interféromètre est à l'intérieur d'une chambre à vide ou d'un cryostat. Pour rendre l'interféromètre aussi stable que possible, nous l'avons fabriqué à partir d'un seul bloc de matériau à faible coefficient de dilatation thermique, en optimisant sa forme afin qu'il ne se déforme pas lors du refroidissement. Il a également été recouvert d'un placage d'or pour l'isoler autant que possible du rayonnement thermique de l'extérieur. Nous avons mis ce bloc dans un cryostat, ce qui pourrait le refroidir à 20K (-253C).
Représentation schématique d'un interféromètre
Photographie démontée de l'interféromètre: à gauche - l'interféromètre et les piézomoteurs déplaçant les miroirs à basse température. Sur la droite se trouve la membrane dans le support.
3. Lumière comprimée
Je recommande de lire l'article sur Habré, qui est une excellente introduction aux états de lumière pressés.
La lumière comprimée peut être créée de différentes manières et nous utilisons un cristal non linéaire.
Lorsqu'un cristal est pompé avec des photons, un processus non linéaire produit deux photons d'un photon de pompage à la moitié de l'énergie (fréquence) du photon de pompage. Ces photons se trouvent dans un état intriqué quantique . Le flux de ces photons appariés s'avère être plus ordonné que le flux de lumière ordinaire, car le bruit de tir est réduit - effet de compression.
Dans ce cas, l'incertitude de phase sera réduite, dans la limite à zéro, en augmentant l'incertitude d'amplitude. Vous pouvez faire le contraire, réduire l'incertitude d'amplitude. Dans nos expériences, nous ne compressons pas la lumière elle-même, mais des fluctuations quantiques de l' état zéro du champ (c'est-à-dire ce qu'on appelle les fluctuations du vide). Pour un tel vide comprimé, l' amplitude moyenne est nulle et il n'y a qu'une incertitude de phase et d'amplitude.
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Dans l'expérience, nous utilisons d'abord un processus non linéaire pour créer un faisceau de pompage, réduisant la longueur d'onde de 1550 nm à 775 nm (SHG), puis nous utilisons ce pompage pour comprimer les fluctuations de vide à une longueur d'onde de 1550 nm. Ensuite, nous mesurons la lumière résultante dans un interféromètre, en l'alignant avec un faisceau laser sur un diviseur. Cette approche est appelée détection homodyne .
Dans cette expérience, nous avons eu environ 8,7 dB de compression à l'entrée de l'interféromètre (réduction du bruit de 7,5 fois), mais en général, nous pouvons faire une compression beaucoup plus forte maintenant - jusqu'à 30 fois (15 dB). Comme je l'ai écrit ci-dessus, la lumière comprimée est très sensible à la perte optique et l'amélioration de la sensibilité n'était pas si significative (4,8 dB).
Exemple de données
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4. Tout rassembler
Nous envoyons la lumière compressée dans l'interféromètre à partir du port de signal. Il passe à travers l'interféromètre et recule avec le signal du mouvement de la membrane. Les deux sont dirigés vers un détecteur homodyne.
Toutes les phases de la lumière doivent être surveillées: les résonateurs doivent rester en résonance avec le faisceau principal, les phases de la lumière comprimée doivent correspondre aux phases du signal, l'interféromètre doit rester correctement réglé et le détecteur homodyne doit mesurer la phase correcte.
En conséquence, tous ensemble, il occupe une grande pièce:
Plus d'images
En conséquence, nous avons pu observer le mouvement thermique de notre membrane et la refroidir à 100K et jusqu'à 20K. Ce refroidissement peut être directement observé dans le spectre de son mouvement: avec la baisse de température, le bruit diminue également. D'autre part, nous utilisons la lumière comprimée et nous supprimons le bruit de tir trois fois. Le résultat est un prototype de détecteur d'ondes gravitationnelles, dans lequel nous combinons pour la première fois un interféromètre refroidi avec une compression quantique.
Plus important encore, nous démontrons qu'il est possible de maintenir l'accord de l'interféromètre lorsqu'il est refroidi à de basses températures et de ne pas introduire de pertes qui réduiraient le degré de corrélations quantiques dans le système.
La plupart des travaux ont été réalisés par une étudiante diplômée de notre laboratoire (les photos sont pour la plupart tirées de sa thèse). Nous sommes allés à ce résultat pendant plus de 6 ans, et tout tient sur 4 pages de l'article. C'est ainsi que nous passons notre temps dans les laboratoires d'optique quantique. La prochaine fois, je vous parlerai d'une autre expérience et montrerai plus d'éléments internes de l'optique et de tout hikporn.
Interférométrie à lumière comprimée sur une membrane micromécanique refroidie par cryogénie
Dernier point mais non le moindre, si vous voulez me regarder essayer de comprendre comment faire un Twitter scientifique en anglais, bienvenue sur @hbar_universe .