👨‍👧‍👧 🕷️ ↗️ ضوء مضغوط أو ما هو موجات الجاذبية 🍉 👩‍🚒 ✊🏼

مرحبا GT! سنتحدث اليوم عن حالة ضوء غير عادية وتطبيقاتها غير العادية على حد سواء. مرحبا بكم في القطط.

شرطي يوقف هايزنبرغ الذي تجاوز السرعة.
"هل تعرف حتى مدى سرعة قيادتك؟"
"لا ، لكنني أعرف بالضبط أين كنت".
(الحكاية الملتحية) تحظر

علاقة عدم اليقين في هايزنبرغ في وقت واحد قياس إحداثيات وسرعة (زخم) الجسيم. علاوة على ذلك ، لا يزعج أحد بقياس إحدى الكميات بدقة - ولكن بعد ذلك ستصبح درجة عدم التيقن الثانية أكبر.

بشكل عام ، علاقات عدم اليقين شائعة جدًا في الفيزياء. على سبيل المثال ، تنطبق نفس العلاقة على الموجة الكهرومغناطيسية: فهي تربط شدتها (= عدد الفوتونات) والمرحلة :

بسبب عدم اليقين هذا ، لا يمكننا قياس بدقة الجيوب الأنفية الموصوفة بواسطة الموجة ، بالنسبة للمراقب سيكون دائمًا في ضجيج الضوضاء:

يمكن إظهار ذلك بوضوح على مخطط دائري ، حيث يتوافق السعة مع نصف القطر إلى النقطة ، الطور - الزاوية بين اتجاه النقطة والمحور X. يظهر الأخضر عدم اليقين:

في هذه الحالة ، لا يزعج أحد لتحديد دقة إما السعة أو المرحلة. ثم تتحول دائرة الأخطاء إلى قطع ناقص ، يتقلص في اتجاه واحد ويمتد في الاتجاه الآخر:

تسمى هذه الحالة الضوء المضغوط ، لأن الضغطات أو تقلبات الطور يتم ضغطها على طول أحد المحاور ، مما يقلل من خطأ القياس. يسمى الأول ضغط السعة (يتم قطع القطع الناقص عبر نصف القطر ، يمكنك قياس السعة بدقة عند الحد الأقصى للموجة الجيبية) ؛ المرحلة الثانية (القطع الناقص على طول نصف القطر ، يمكنك قياس الطور عند الأصفار للموجة الجيبية).

لماذا هو مهم؟

بالنسبة للضوء العادي ، لا يمكننا قياس السعة أو الطور بدقة أكبر مما تعطينا دائرة الأخطاء. وهذا ما يسمى مستوى الضوضاء الكمومية . يسمح لك الضوء المضغوط بتقليل الخطأ في اتجاه واحد و "الغوص" تحت مستوى الضوضاء هذا. إلى حد ما ، يمكننا [pathos_mode_on] أن نأخذ قياسات أكثر دقة من الطبيعة التي تريدها [pathos_mode_off].

مثال بسيط.

كل مصدر ضوء يولد عددًا صحيحًا من الفوتونات في كل ثانية. يمكن أن يتغير من الثانية إلى الثانية بسبب الطبيعة الكمومية للضوء ، مما يشكل توزيع عدد الفوتونات (ذكرت هذا في قصة Hanbury Brown و Twiss ).

عدد الفوتونات هو نفس شدة الضوء. أي أن الكثافة عبارة عن "ضوضاء" صغيرة - تختلف من الثانية إلى الثانية. هذا هو مستوى الضوضاء الكمومية القياسية.

ولكن إذا لم يتغير عدد الفوتونات من ثانية إلى أخرى (الشكل على اليمين) ، فإن الشدة ثابتة تمامًا وخالية من أي ضجيج. سيكون هذا هو الضوء الذي يتم ضغطه إلى أقصى حد في السعة. يبدو تدفق الفوتونات في نفس الوقت شيئًا كهذا:

أي أن الفوتونات تنبعث بشكل دوري بشكل صارم. إذا تم انتهاك الدورية ، يظل الضوء مضغوطًا إلى حد ما.

لماذا هذا مطلوب؟

على عكس الأشياء الغريبة الأخرى ، اتضح أن استخدام الضوء المضغوط أمر واعد للغاية.

اتصالات. يسمح لك إرسال المعلومات عن طريق تعديل متغير مضغوط (السعة (AM) أو الطور (FM) ، التربيع الأعم للتربيع) بزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. من الممكن بناء مضخمات تضيف ضوضاء فقط إلى هذا التربيع غير المضغوط ولا يحمل إشارة مفيدة.

تشابك الكم. في بعض الحالات ، يمكن رسم أوجه الشبه بين تشابك الفوتونات وضغط الضوء. على سبيل المثال ، يمكنك الخلط بين شعاعين من الضوء: واحد مضغوط في السعة ، والثاني في الطور.

التشفير الكمومي. ينبع من تشابك الكم والصورة أعلاه. في أبسط مخطط للتشفير الكمي ، تنقل أليس المعلومات إلى بوب باستخدام الفوتونات ذات الاستقطاب العشوائي. يمكن أن يلعب اتجاه الضغط دور الضغط: إذا تم تحديده بشكل غير صحيح ، فإن المهاجم الذي يعترض قناة الاتصال سيقيس الضوضاء بدلاً من الإشارة.

كواشف موجات الجاذبية. لهذه المهمة ، تحتاج إلى التقاط أصغر تقلبات الأحمال الضخمة. يتم ذلك عادةً باستخدام مقياس تداخل Michelson. يتم بناؤه ببساطة شديدة: ليزر ومرآتين ولوحة شفافة واحدة:

ينعكس الليزر من مرآتين ، ويتداخل انعكاسان ، ويتشكل نمط تداخل على الشاشة. إذا تحركت إحدى المرايا ، فستتحرك الصورة أيضًا. يحدث هذا بسبب تغيير في مرحلة الموجة: تحركت المرآة بعيدًا - أصبح مسار الليزر أطول قليلاً ، ودخلت مرحلة إضافية - تحولت أشرطة التداخل.

نظرًا لأن مقياس التداخل يقيس المرحلة ، فلا يمكن أن يكون حلها أفضل من عدم اليقين في المرحلة. بالنسبة إلى الليزر التقليدي ، يقتصر على مستوى ضوضاء الكم القياسي. ولكن إذا استبدلنا الليزر بمصدر ضوء مضغوط طوريًا ، فستختفي هذه المشكلة ، وسنكون قادرين على قياس المسافات بدقة غير مسبوقة.

يتم هذا اليوم في واحدة من أكبر أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية GEO600 ، وعلى الأرجح ، تم التخطيط للكشف عن الفضاء LISA. بالمناسبة ، من بين مستخدمي GT هناك Shkaff ، الذي يفعل ذلك للتو وهو على استعداد للإجابة على أسئلتك في التعليقات.

قياس دقيق للمرحلة. يمكن أن يكون الضوء المعصر في الطور مفيدًا للقياسات باستخدام طريقة تباين الطور ، وهي تقنية يومية في علم الأحياء الحديث.

كيف تولد؟

إنشاء ضوء مضغوط ليس بهذه البساطة. لهذا ، يتم استخدام العمليات الضوئية غير الخطية. من الصعب الشرح على الأصابع ، ولكن سأعطي مثالًا واحدًا.

في بعض البلورات ، لوحظ تأثير يسمى Kerr nonlinearity - اعتماد معامل الانكسار على شدة الضوء. لنرسل نبضة ليزر لمثل هذه البلورة. بالنسبة لأي نبضة ، تكون شدة الجبهات أقل من المركز - مما يعني أن مؤشر الانكسار سيتغير بقوة حيث يكون مركز النبض الآن. يؤدي الاختلاف في مؤشرات الانكسار إلى حقيقة أن طور الموجة في المركز والجبهات يختلف بشكل مختلف. مجمل هذه التغييرات يؤدي إلى حقيقة أن المرحلة تصبح محددة قليلاً أفضل من المعتاد ، والشدة - على العكس ، أسوأ قليلاً. مرحبا ، تقلص الضوء :).

كيف تكتشف؟

يمكن أيضًا قياس الضوء المضغوط بعدة طرق.

1. مخطط هانبوري براون تويس.

في سلسلة عن Hanbury Brown و Twiss ، قلت أن دالة الارتباط g ⁽²⁾ تقابل عرض توزيع عدد الفوتونات. يعني ضغط اتساع الضوء أن عدد الفوتونات يتحدد بشكل أفضل من المعتاد. لذلك ، بالمعنى الواسع للكلمة g ⁽²⁾ أقل من الوحدة - علامة على ضوء مضغوط.

2. كاشف التوازن. إنها مثل دائرة Hanbury Brown-Twiss ، ولكن بدلاً من الارتباطات ، فإننا إما نطرح أو نضيف إشارات من ثنائيين (عند طلبنا):

مرآة شفافة تنقل أو تعكس كل فوتون بشكل عشوائي. تقدم هذه العشوائية ضوضاء كمية إضافية (مثل ضوضاء اللقطة) في الإشارة . مثل هذا الضجيج له علامة مختلفة على ثنائيين: إذا انعكس الفوتون ، فلن يطير ؛ إذا طار ، فلن ينعكس.

إذا طرحنا الإشارة من صمام ثنائي من آخر ، فإن الضوضاء الكمومية لن تذهب إلى أي مكان. وإذا جمعنا؟ ثم يختفي الضجيج ، لأنه يحتوي على علامة مختلفة. (تفسير آخر: قسمنا الضوء إلى قسمين ، ثم طويناهما للخلف - وهذا ، بالطبع ، لم يضيف ضوضاء إضافية).

لذا ، فإن الطرح يضيف لنا ضوضاء بمستوى كمّي قياسي ، والجمع لا يغير أي شيء. إذا كان الضوء المدروس مضغوطًا بالسعة (أي "بلا ضجيج") ، فإن الطرح سيجعله أكثر ضوضاء ، وستتركه الإضافة دون تغيير. بالتبديل بين الجمع والطرح ، يمكننا قياس مستوى الضجيج ، وإذا كان مختلفًا ، فإننا نلاحظ ضوءًا مضغوطًا بالسعة.

يبدو الضجيج بعد الجمع (الأحمر) والطرح (الأزرق) شيئًا مثل هذا. الضجيج الأحمر أضعف بكثير ويتوافق مع الضوء المضغوط.

3. التكديس. من السهل قياس ضغط السعة ، ولكن ماذا عن ضغط الطور؟ إذا كان من الممكن "تدوير" اتجاه القطع الناقص (أي طور الضوء) ، فإن الضوء من عصر الطور سيصبح مضغوطًا بالسعة. يمكن تدوير المرحلة بخلط الضوء مع الموجة المرجعية. هذا يشبه إلى حد كبير مذبذب المستقبِل المحلي ، فقط في المذبذب المحلي يختلف تردد المرجع والموجات المدروسة ، ولكن في المذبذب المحلي ليس كذلك (ومن هنا الاسم).

حتى في الإنسان ، تحتاج إلى تحديد مرحلة الموجة المرجعية. في الإلكترونيات ، يتم ذلك عن طريق مغير الطور ، في البصريات عن طريق خط التأخير (كلما وصل الضوء لاحقًا ، زاد تشغيل المرحلة). يتم الخلط على نفس المرآة الشفافة:

تأتي الموجة المرجعية من الأسفل. ثم - نفس الكاشف المتوازن.

ومن المثير للاهتمام

حتى الآن ، يتم استخدام الضوء المضغوط فقط في قياس التداخل فائق الدقة. المشكلة هي أنها هشة بشكل لا يصدق. من السهل فهم هذا بمثال الضوء المضغوط بالسعة المثالي (تدفق الفوتون دوري بشكل صارم):

في انتشار الضوء ، تكون الخسائر حتمية ، والتي تكون دائمًا عرضية. هذا يعني أن الفوتونات ستختفي من التيار بشكل عشوائي:

كما ترون ، لم يبق شيء تقريبًا من الدورية. وكذلك من الضغط. لذلك ، من الصعب جدًا نقل الضوء المضغوط عبر مسافات طويلة.

وأخيرًا ، دعونا نعجب بمخطط كاشف الجاذبية GEO 600 بالقرب من هانوفر:

مصدر الضوء المضغوط على خلفية صفراء. يستخدم عملية بصرية غير خطية ، ولكن ليس كير غير خطية ، ولكن توليد التوافقي الثاني للإشعاع. الخط المنقط الأحمر مضغوط. فوق اليمين مقياس تداخل ميكلسون مع أكتاف 600 متر. يتم تعليق المرايا على الأحمال التي يجب أن تتأرجح من موجات الجاذبية. يتم الحصول على الصورة من مقياس التداخل على الصمام الضوئي في الزاوية اليمنى السفلى.

مصادر
M. Fox. البصريات الكمومية: مقدمة - مطبعة جامعة أكسفورد ، 2006.
بفضل شكاف لتعليقات الخبراء.

الصور المجانية : KDPV ، 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6، 7 ، 8 ، 9 ، 10 .