👇🏽 💝 🙉 La lumière comprimée ou les ondes gravitationnelles 🧛🏽 💭 🐐

Bonjour GT! Aujourd'hui, nous allons parler d'un état de lumière inhabituel et de ses applications tout aussi inhabituelles. Bienvenue au chat.

Un policier arrête Heisenberg qui a dépassé la vitesse.
"Savez-vous même à quelle vitesse vous conduisiez?"
"Non, mais je sais exactement où j'étais."
(anecdote barbue)

La relation d'incertitude de Heisenberg interdit de mesurer simultanément les coordonnées et la vitesse (momentum) d'une particule. De plus, personne ne prend la peine de mesurer avec précision l'une des quantités - mais alors la deuxième incertitude deviendra encore plus grande.

En général, les relations d'incertitude sont assez courantes en physique. Par exemple, la même relation est vraie pour une onde électromagnétique: elle relie son intensité (= nombre de photons) et sa phase :

En raison de cette incertitude, nous ne pouvons pas mesurer avec précision la sinusoïde décrite par l'onde, pour l'observateur, elle sera toujours dans une brume de bruit:

Cela peut être clairement montré sur un graphique à secteurs, où l'amplitude correspond au rayon du point, phase - l'angle entre la direction du point et l'axe X. Le vert montre l'incertitude:

Dans ce cas, personne ne se soucie de déterminer avec précision l' amplitude ou la phase. Ensuite, le cercle d'erreurs se transformera en ellipse, rétrécissant dans un sens et s'étirant dans l'autre:

Cette condition est appelée lumière comprimée , car les fluctuations d'amplitude ou de phase sont compressées le long de l'un des axes, ce qui réduit l'erreur de mesure. La première est appelée compression d'amplitude (l'ellipse est étirée sur le rayon, vous pouvez mesurer avec précision l'amplitude aux maxima-minima de l'onde sinusoïdale); la deuxième phase (ellipse le long du rayon, vous pouvez mesurer la phase aux zéros de l'onde sinusoïdale).

Pourquoi c'est important?

Pour la lumière ordinaire, nous ne pouvons pas mesurer l'amplitude ou la phase plus précisément que le cercle d'erreurs nous donne. C'est ce qu'on appelle le niveau de bruit quantique standard . La lumière compressée vous permet de réduire l'erreur dans une direction et de «plonger» sous ce niveau de bruit. Dans un sens, nous pouvons [pathos_mode_on] prendre des mesures plus précises que la nature ne le souhaiterait [pathos_mode_off].

Un exemple simple.

Chaque source de lumière génère un nombre entier de photons chaque seconde. Elle peut changer de seconde en seconde en raison de la nature quantique de la lumière, formant la distribution du nombre de photons (je l'ai mentionné dans l'histoire de Hanbury Brown et Twiss ).

Le nombre de photons est le même que l'intensité de la lumière. Autrement dit, l'intensité est un peu "bruit" - varie de seconde en seconde. Il s'agit du niveau de bruit quantique standard.

Mais si le nombre de photons ne change pas de seconde en seconde (figure de droite), alors l'intensité est strictement constante et dépourvue de tout bruit. Ce sera la lumière qui est compressée au maximum en amplitude. Le flux de photons en même temps ressemble à ceci:

Autrement dit, les photons sont émis strictement périodiquement. Si la périodicité est violée, la lumière reste encore dans une certaine mesure compressée.

Pourquoi est-ce nécessaire?

Contrairement à d'autres objets exotiques, l'utilisation de la lumière compressée s'est avérée très prometteuse.

Telecom. La transmission d'informations en modulant une variable compressée (amplitude (AM) ou phase (FM), le terme plus général quadrature) vous permet d'augmenter le rapport signal / bruit. Il est possible de construire des amplificateurs qui ajoutent du bruit uniquement à cette quadrature non compressée et qui ne transporte pas de signal utile.

Enchevêtrement quantique. Dans certains cas, des parallèles peuvent être établis entre l'intrication des photons et la compression de la lumière. Par exemple, vous pouvez confondre deux faisceaux de lumière: un comprimé en amplitude, le second en phase.

Cryptographie quantique. Provient de l'intrication quantique et de l'image ci-dessus. Dans le schéma le plus simple de la cryptographie quantique, Alice transmet des informations à Bob en utilisant des photons à polarisation aléatoire. La direction de compression peut jouer le rôle de compression: si elle est mal choisie, un attaquant qui intercepte le canal de communication mesurera le bruit plutôt que le signal.

Détecteurs d'ondes gravitationnelles. Pour cette tâche, vous devez capturer les plus petites fluctuations d'énormes charges. Cela se fait généralement à l'aide d'un interféromètre de Michelson. Il est construit très simplement: un laser, deux miroirs et une plaque translucide:

Un laser est réfléchi par deux miroirs, deux réflexions interfèrent et un motif d'interférence se forme sur l'écran. Si l'un des miroirs bouge, l'image se déplace également. Cela se produit en raison d'un changement de phase de l'onde: le miroir s'est éloigné - le chemin laser est devenu un peu plus long, une phase supplémentaire est entrée - les bandes d'interférence se sont déplacées.

Puisque l'interféromètre mesure la phase, sa résolution ne peut pas être meilleure que l'incertitude de phase. Pour un laser conventionnel, il est limité à un niveau de bruit quantique standard. Mais si nous remplaçons le laser par une source de lumière à compression de phase, ce problème disparaîtra et nous pourrons mesurer des distances avec une précision sans précédent.

Aujourd'hui, cela se fait dans l'un des plus grands détecteurs d'ondes gravitationnelles GEO600, et, apparemment, est prévu pour le détecteur spatial LISA. Soit dit en passant, parmi les utilisateurs de GT, il y a Shkaff , qui fait juste cela et est prêt à répondre à vos questions dans les commentaires.

Mesure de phase précise. La lumière à compression de phase peut être utile pour les mesures utilisant la méthode du contraste de phase, une technique courante en biologie moderne.

Comment générer?

Créer de la lumière compressée n'est pas si simple. Pour cela, des processus optiques non linéaires sont utilisés. C'est assez difficile à expliquer sur les doigts, mais je vais donner un exemple.

Dans certains cristaux, un effet appelé non - linéarité Kerr est observé - la dépendance de l'indice de réfraction de l'intensité lumineuse. Envoyons une impulsion laser à un tel cristal. Pour toute impulsion, l'intensité sur les fronts est inférieure à celle du centre - ce qui signifie que l'indice de réfraction changera le plus fortement là où se trouve maintenant le centre de l'impulsion. La différence d'indices de réfraction conduit au fait que la phase de l'onde au centre et aux fronts varie différemment. La totalité de ces changements conduit au fait que la phase se définit un peu mieux que d'habitude, et l'intensité - au contraire, un peu pire. Bonjour, lumière serrée :).

Comment détecter?

La lumière comprimée peut également être mesurée de plusieurs manières.

1. Régime Hanbury Brown-Twiss.

Dans une série sur Hanbury Brown et Twiss, j'ai dit que la fonction de corrélation g ⁽²⁾ correspond à la largeur de la distribution du nombre de photons. La compression d'amplitude de la lumière signifie que le nombre de photons est mieux déterminé que d'habitude. Par conséquent, au sens large du mot g ^{(2) est} inférieur à l'unité - un signe de lumière comprimée.

2. Détecteur d'équilibre. C'est comme un circuit Hanbury Brown-Twiss, mais au lieu de corrélations, nous soustrayons ou ajoutons les signaux de deux diodes (à notre demande):

Un miroir translucide transmet ou réfléchit chaque photon de manière aléatoire. Ce caractère aléatoire introduit un bruit quantique supplémentaire (tel que le bruit de tir) dans le signal . Un tel bruit a un signe différent sur deux diodes: si un photon est réfléchi, il ne volera pas; s'il vole, il ne sera pas reflété.

Si nous soustrayons le signal d'une diode d'une autre, le bruit quantique n'ira nulle part. Et si on additionne? Ensuite, le bruit disparaîtra, car il a un signe différent. (Autre explication: nous avons divisé la lumière en deux parties, puis l'avons repliée - cela n'a évidemment pas ajouté de bruit supplémentaire.)

Ainsi, la soustraction nous ajoute du bruit avec un niveau quantique standard, et l'addition ne change rien. Si la lumière étudiée a été comprimée en amplitude (c'est-à-dire «sans bruit»), la soustraction la rendra plus bruyante et l'addition la laissera inchangée. En basculant entre l'addition et la soustraction, nous pouvons mesurer le niveau de bruit, et s'il est différent, nous observons alors la lumière comprimée en amplitude.

Le bruit après addition (rouge) et soustraction (bleu) ressemble à ceci. Le bruit rouge est beaucoup plus faible et correspond à la lumière compressée.

3. Homodyning. La compression d'amplitude est facile à mesurer, mais qu'en est-il de la compression de phase? S'il est possible de «faire pivoter» l'orientation de l'ellipse (c'est-à-dire la phase de la lumière), alors la lumière de la phase comprimée deviendra une amplitude compressée. La phase peut être tournée en mélangeant la lumière avec l'onde de référence. Ceci est très similaire à l'oscillateur récepteur-local, seulement dans l'oscillateur local la fréquence des ondes de référence et étudiées est différente, mais dans l'oscillateur local ce n'est pas (d'où le nom).

Même dans l'homodyne, vous devez sélectionner la phase de l'onde de référence. En électronique, cela se fait par un déphaseur, en optique par une ligne à retard (plus la lumière arrive tard, plus la phase se déroule). Le mixage s'effectue sur le même miroir translucide:

L'onde de référence vient d'en bas. Et puis - le même détecteur équilibré.

Et d'intéressant

Jusqu'à présent, la lumière comprimée n'est utilisée qu'en interférométrie ultra-précise. Le problème est qu'il est incroyablement fragile. Cela est facile à comprendre par l'exemple de la lumière à amplitude idéale (le flux photonique est strictement périodique):

Dans la propagation de la lumière, les pertes sont inévitables, toujours accidentelles. Cela signifie que les photons disparaîtront du flux au hasard:

Comme vous pouvez le voir, il ne reste presque plus rien de la périodicité. Ainsi que par compression. Par conséquent, la lumière compressée est très difficile à transmettre sur de longues distances.

Et enfin, admirons le schéma du détecteur gravitationnel GEO 600 près de Hanovre:

La source de lumière compressée est sur fond jaune. Il utilise un processus optique non linéaire, mais pas la non-linéarité de Kerr, mais la génération de la deuxième harmonique du rayonnement. La ligne pointillée rouge représente la lumière compressée. Au-dessus à droite se trouve un interféromètre de Michelson avec des épaules de 600 mètres; les miroirs sont suspendus à des charges qui doivent osciller des ondes gravitationnelles. L'image de l'interféromètre est obtenue sur la photodiode dans le coin inférieur droit.

Sources de
M. Fox. Optique quantique: une introduction - Oxford University Press, 2006.
Merci à Shkaff pour les commentaires des experts.

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