❔ 🌹 🍻 Komprimiertes Licht oder Was haben Gravitationswellen? 📽️ 👦🏼 🏨

Hallo GT! Heute werden wir über einen ungewöhnlichen Lichtzustand und seine ebenso ungewöhnlichen Anwendungen sprechen. Willkommen bei Katze.

Ein Polizist hält Heisenberg an, der die Geschwindigkeit überschritten hat.
"Weißt du überhaupt, wie schnell du gefahren bist?"
"Nein, aber ich weiß genau, wo ich war."
(bärtige Anekdote)

Die Heisenbergsche Unsicherheitsrelation verbietet die gleichzeitige Messung der Koordinate und Geschwindigkeit (Impuls) eines Teilchens. Darüber hinaus stört es niemanden, eine der Größen genau zu messen - aber dann wird die zweite Unsicherheit noch größer.

Im Allgemeinen sind Unsicherheitsrelationen in der Physik weit verbreitet. Zum Beispiel gilt die gleiche Beziehung für eine elektromagnetische Welle: Sie bezieht ihre Intensität (= Anzahl der Photonen) und Phase in Beziehung :

Aufgrund dieser Unsicherheit können wir die von der Welle beschriebene Sinuskurve nicht genau messen, da sie für den Beobachter immer im Rauschdunst liegt:

Dies kann deutlich in einem Kreisdiagramm dargestellt werden, in dem die Amplitude dem Radius zum Punkt, der Phase - dem Winkel zwischen der Richtung des Punkts und der X-Achse - entspricht. Grün zeigt die Unsicherheit:

In diesem Fall stört es niemanden, entweder die Amplitude oder die Phase genau zu bestimmen . Dann verwandelt sich der Fehlerkreis in eine Ellipse, die in die eine Richtung schrumpft und sich in die andere erstreckt:

Dieser Zustand wird als gequetschtes Licht bezeichnet , da Amplituden- oder Phasenschwankungen entlang einer der Achsen komprimiert werden, wodurch der Messfehler verringert wird. Die erste heißt Amplitudenkompression (die Ellipse ist über den Radius gespannt, Sie können die Amplitude bei den Maxima-Minima der Sinuswelle genau messen); die zweite Phase (Ellipse entlang des Radius, Sie können die Phase an den Nullen der Sinuswelle messen).

Warum ist es wichtig?

Für gewöhnliches Licht können wir die Amplitude oder Phase nicht genauer messen, als es der Fehlerkreis gibt. Dies wird als Standardquantenrauschpegel bezeichnet . Mit komprimiertem Licht können Sie den Fehler in eine Richtung reduzieren und unter diesem Geräuschpegel "tauchen". In gewissem Sinne können wir [pathos_mode_on] genauere Messungen durchführen, als die Natur [pathos_mode_off] möchte.

Ein einfaches Beispiel.

Jede Lichtquelle erzeugt jede Sekunde eine ganzzahlige Anzahl von Photonen. Es kann sich aufgrund der Quantennatur des Lichts von Sekunde zu Sekunde ändern und die Verteilung der Anzahl der Photonen bilden (ich habe dies in der Geschichte über Hanbury Brown und Twiss erwähnt ).

Die Anzahl der Photonen entspricht der Lichtintensität. Das heißt, die Intensität ist ein wenig "Rauschen" - variiert von Sekunde zu Sekunde. Dies ist der Standardquantenrauschpegel.

Wenn sich die Anzahl der Photonen jedoch nicht von Sekunde zu Sekunde ändert (Abbildung rechts), ist die Intensität streng konstant und rauschfrei. Dies ist das Licht, dessen Amplitude maximal komprimiert ist. Der Photonenfluss sieht gleichzeitig ungefähr so aus:

Das heißt, Photonen werden streng periodisch emittiert. Wenn die Periodizität verletzt wird, bleibt das Licht noch bis zu einem gewissen Grad komprimiert.

Warum wird das benötigt?

Im Gegensatz zu anderen exotischen Objekten erwies sich die Verwendung von komprimiertem Licht als sehr vielversprechend.

Telekommunikation. Durch die Übertragung von Informationen durch Modulation einer komprimierten Variablen (Amplitude (AM) oder Phase (FM), allgemeiner Begriff Quadratur) können Sie das Signal-Rausch-Verhältnis erhöhen. Es ist möglich, Verstärker zu bauen, die nur der Quadratur Rauschen hinzufügen, die nicht komprimiert ist und kein nützliches Signal trägt.

Quantenverschränkung. In einigen Fällen können Parallelen zwischen der Verschränkung von Photonen und der Kompression von Licht gezogen werden. Sie können beispielsweise zwei Lichtstrahlen verwechseln: einen in der Amplitude komprimierten und den zweiten in der Phase.

Quantenkryptographie. Stammt aus der Quantenverschränkung und dem obigen Bild. Im einfachsten Schema der Quantenkryptographie überträgt Alice Informationen unter Verwendung von Photonen mit zufälliger Polarisation an Bob. Die Richtung der Komprimierung kann die Rolle der Komprimierung spielen: Wenn sie nicht richtig ausgewählt wird, misst ein Angreifer, der den Kommunikationskanal abfängt, eher Rauschen als Signal.

Gravitationswellendetektoren. Für diese Aufgabe müssen Sie die kleinsten Schwankungen großer Lasten erfassen. Dies erfolgt normalerweise mit einem Michelson-Interferometer. Es ist sehr einfach aufgebaut: ein Laser, zwei Spiegel und eine durchscheinende Platte:

Ein Laser wird von zwei Spiegeln reflektiert, zwei Reflexionen stören und auf dem Bildschirm bildet sich ein Interferenzmuster. Wenn sich einer der Spiegel bewegt, bewegt sich auch das Bild. Dies geschieht aufgrund einer Änderung der Wellenphase: Der Spiegel hat sich wegbewegt - der Laserweg ist etwas länger geworden, eine zusätzliche Phase ist eingetreten - die Interferenzstreifen haben sich verschoben.

Da das Interferometer die Phase misst, kann seine Auflösung nicht besser sein als die Phasenunsicherheit. Für einen herkömmlichen Laser ist er auf einen Standardquantenrauschpegel beschränkt. Wenn wir den Laser jedoch durch eine phasengepresste Lichtquelle ersetzen, verschwindet dieses Problem und wir können Entfernungen mit beispielloser Genauigkeit messen.

Dies geschieht heute in einem der größten Gravitationswellendetektoren GEO600 und ist höchstwahrscheinlich für den LISA-Weltraumdetektor geplant. Unter den GT-Nutzern gibt es übrigens Shkaff , der dies gerade tut und bereit ist, Ihre Fragen in den Kommentaren zu beantworten.

Genaue Phasenmessung. Phasengequetschtes Licht kann für Messungen mit der Phasenkontrastmethode nützlich sein, einer in der modernen Biologie alltäglichen Technik.

Wie generieren?

Das Erstellen von komprimiertem Licht ist nicht so einfach. Hierzu werden nichtlineare optische Prozesse eingesetzt. Es ist ziemlich schwierig, es an den Fingern zu erklären, aber ich werde ein Beispiel geben.

In einigen Kristallen wird ein Effekt beobachtet, der als Kerr-Nichtlinearität bezeichnet wird - die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Lichtintensität. Senden wir einen Laserpuls an einen solchen Kristall. Für jeden Impuls ist die Intensität an den Fronten geringer als in der Mitte - was bedeutet, dass sich der Brechungsindex dort am stärksten ändert, wo sich jetzt die Mitte des Impulses befindet. Der Unterschied in den Brechungsindizes führt dazu, dass die Phase der Welle in der Mitte und an den Fronten unterschiedlich variiert. Die Gesamtheit dieser Änderungen führt dazu, dass die Phase etwas besser als gewöhnlich definiert wird und die Intensität - im Gegenteil, etwas schlechter. Hallo, gequetschtes Licht :).

Wie zu erkennen?

Komprimiertes Licht kann auch auf verschiedene Arten gemessen werden.

1. Hanbury Brown-Twiss-Schema.

In einer Reihe über Hanbury Brown und Twiss sagte ich, dass die Korrelationsfunktion g ⁽²⁾ der Breite der Verteilung der Anzahl der Photonen entspricht. Die Amplitudenkompression von Licht bedeutet, dass die Anzahl der Photonen besser als gewöhnlich bestimmt wird. Daher ist g ⁽²⁾ im weiteren Sinne des Wortes weniger als die Einheit - ein Zeichen von zusammengedrücktem Licht.

2. Ausgleichsdetektor. Es ist wie bei einer Hanbury Brown-Twiss-Schaltung, aber anstelle von Korrelationen subtrahieren oder addieren wir Signale von zwei Dioden (auf unsere Anfrage):

Ein durchscheinender Spiegel überträgt oder reflektiert jedes Photon zufällig. Diese Zufälligkeit führt zusätzliches Quantenrauschen (wie Schussrauschen) in das Signal ein . Solches Rauschen hat bei zwei Dioden ein unterschiedliches Vorzeichen: Wenn ein Photon reflektiert wird, fliegt es nicht; Wenn es fliegt, wird es nicht reflektiert.

Wenn wir das Signal von einer Diode von einer anderen subtrahieren, wird das Quantenrauschen nirgendwo hingehen. Und wenn wir addieren? Dann verschwindet das Geräusch, weil es ein anderes Vorzeichen hat. (Eine weitere Erklärung: Wir haben das Licht in zwei Teile geteilt und dann zurückgefaltet - dies hat offensichtlich kein zusätzliches Rauschen hinzugefügt.)

Die Subtraktion fügt uns also Rauschen mit einem Standardquantenpegel hinzu, und die Addition ändert nichts. Wenn das untersuchte Licht amplitudengequetscht wurde (dh "rauschfrei"), wird es durch Subtraktion lauter und durch Addition unverändert. Wenn wir zwischen Addition und Subtraktion umschalten, können wir den Rauschpegel messen. Wenn er unterschiedlich ist, beobachten wir amplitudengequetschtes Licht.

Das Rauschen nach Addition (rot) und Subtraktion (blau) sieht ungefähr so aus. Rotes Rauschen ist viel schwächer und entspricht komprimiertem Licht.

3. Homodyning. Die Amplitudenkomprimierung ist leicht zu messen, aber was ist mit der Phasenkomprimierung? Wenn es möglich ist, die Ausrichtung der Ellipse (dh die Lichtphase) zu "drehen", wird das Licht aus der phasengepressten Phase amplitudengequetscht. Die Phase kann durch Mischen des Lichts mit der Referenzwelle gedreht werden. Dies ist dem empfängerlokalen Oszillator sehr ähnlich, nur im lokalen Oszillator ist die Frequenz der Referenz- und untersuchten Wellen unterschiedlich, im lokalen Oszillator jedoch nicht (daher der Name).

Auch in der Homodyn müssen Sie die Phase der Referenzwelle auswählen. In der Elektronik erfolgt dies durch einen Phasenschieber, in der Optik durch eine Verzögerungsleitung (je später das Licht eintrifft, desto mehr läuft die Phase). Das Mischen erfolgt auf demselben durchscheinenden Spiegel:

Die Referenzwelle kommt von unten. Und dann - der gleiche symmetrische Detektor.

Und interessant

Gequetschtes Licht wird bisher nur in der ultrapräzisen Interferometrie verwendet. Das Problem ist, dass es unglaublich zerbrechlich ist. Dies ist am Beispiel eines idealen amplitudengequetschten Lichts leicht zu verstehen (der Photonenfluss ist streng periodisch):

Bei der Ausbreitung von Licht sind Verluste unvermeidlich, die immer zufällig sind. Dies bedeutet, dass die Photonen zufällig aus dem Strom verschwinden:

Wie Sie sehen können, bleibt von der Periodizität fast nichts übrig. Sowie von der Kompression. Daher ist es sehr schwierig, komprimiertes Licht über große Entfernungen zu übertragen.

Lassen Sie uns zum Schluss das Schema des Gravitationsdetektors GEO 600 in der Nähe von Hannover bewundern:

Die komprimierte Lichtquelle befindet sich auf einem gelben Hintergrund. Es verwendet einen nichtlinearen optischen Prozess, jedoch keine Kerr-Nichtlinearität, sondern die Erzeugung der zweiten Harmonischen der Strahlung. Die rot gepunktete Linie ist komprimiertes Licht. Oben rechts ist ein Michelson-Interferometer mit Schultern von 600 Metern; Spiegel sind an Lasten aufgehängt, die von Gravitationswellen schwingen müssen. Das Bild vom Interferometer wird auf der Fotodiode in der unteren rechten Ecke aufgenommen.

Quellen von
M. Fox. Quantenoptik: Eine Einführung - Oxford University Press, 2006.
Vielen Dank an Shkaff für die Expertenkommentare. Kostenlose

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