👨🏽‍🌾 🔯 🏺 Cahaya terkompresi atau Yang memiliki gelombang gravitasi 🙋🏾 💔 👽

Halo GT! Hari ini kita akan berbicara tentang satu kondisi cahaya yang tidak biasa dan penerapannya yang tidak biasa. Selamat datang di kucing.

Seorang polisi menghentikan Heisenberg yang telah melampaui kecepatan.
"Apakah kamu tahu seberapa cepat kamu mengemudi?"
"Tidak, tapi aku tahu persis di mana aku berada."
(anekdot berjanggut)

Hubungan ketidakpastian Heisenberg melarang secara bersamaan mengukur koordinat dan kecepatan (momentum) suatu partikel. Selain itu, tidak ada yang mengganggu untuk secara akurat mengukur salah satu jumlah - tetapi kemudian ketidakpastian kedua akan menjadi lebih besar.

Secara umum, hubungan ketidakpastian cukup umum dalam fisika. Sebagai contoh, hubungan yang sama berlaku untuk gelombang elektromagnetik: ia menghubungkan intensitasnya (= jumlah foton) dan fase :

Karena ketidakpastian ini, kami tidak dapat mengukur secara akurat sinusoid yang digambarkan oleh gelombang, karena pengamat akan selalu berada dalam kabut kebisingan:

Ini dapat dengan jelas ditampilkan pada diagram lingkaran, di mana amplitudo sesuai dengan jari-jari ke titik, fase - sudut antara arah titik dan sumbu X. Hijau menunjukkan ketidakpastian:

Dalam hal ini, tidak ada yang mengganggu untuk secara akurat menentukan baik amplitudo atau fase. Maka lingkaran kesalahan akan berubah menjadi elips, menyusut di satu arah dan berbaring di yang lain:

Kondisi ini disebut cahaya terjepit , karena fluktuasi amplitudo atau fasa dikompresi di sepanjang salah satu sumbu, mengurangi kesalahan pengukuran. Yang pertama disebut kompresi amplitudo (elips direntangkan melintasi jari-jari, Anda dapat secara akurat mengukur amplitudo pada maxima-minima dari gelombang sinus); fase kedua (elips sepanjang jari-jari, Anda dapat mengukur fase pada nol dari gelombang sinus).

Mengapa ini penting?

Untuk cahaya biasa, kita tidak bisa mengukur amplitudo atau fase lebih akurat daripada yang diberikan oleh lingkaran kesalahan. Ini disebut tingkat kebisingan kuantum standar . Cahaya terkompresi memungkinkan Anda untuk mengurangi kesalahan dalam satu arah dan "menyelam" di bawah tingkat kebisingan ini. Dalam arti tertentu, kita dapat [pathos_mode_on] melakukan pengukuran yang lebih akurat daripada yang diinginkan [pathos_mode_off].

Contoh sederhana.

Setiap sumber cahaya menghasilkan jumlah bilangan bulat foton setiap detik. Itu dapat berubah dari detik ke detik karena sifat kuantum cahaya, membentuk distribusi jumlah foton (saya sebutkan ini dalam cerita tentang Hanbury Brown dan Twiss ).

Jumlah foton sama dengan intensitas cahaya. Artinya, intensitasnya sedikit "noise" - bervariasi dari detik ke detik. Ini adalah tingkat kebisingan kuantum standar.

Tetapi jika jumlah foton tidak berubah dari detik ke detik (gambar di sebelah kanan), maka intensitasnya sangat konstan dan tidak ada noise. Ini akan menjadi cahaya yang dimampatkan amplitudo secara maksimal. Aliran foton pada saat yang sama terlihat seperti ini:

Artinya, foton dipancarkan secara ketat secara berkala. Jika periodisitas dilanggar, cahaya sampai batas tertentu tetap terkompresi.

Mengapa ini dibutuhkan?

Tidak seperti benda eksotis lainnya, penggunaan cahaya terkompresi ternyata sangat menjanjikan.

Telekomunikasi Transmisi informasi dengan memodulasi variabel terkompresi (amplitudo (AM) atau fase (FM), istilah quadrature yang lebih umum) memungkinkan Anda untuk meningkatkan rasio sinyal-ke-noise. Dimungkinkan untuk membuat amplifier yang menambahkan noise hanya pada quadrature yang tidak terkompresi dan tidak membawa sinyal yang berguna.

Keterikatan kuantum. Dalam beberapa kasus, paralel dapat ditarik antara keterikatan foton dan kompresi cahaya. Misalnya, Anda dapat membingungkan dua sinar cahaya: satu dikompresi dalam amplitudo, yang kedua dalam fase.

Kriptografi kuantum. Berasal dari keterikatan kuantum dan gambar di atas. Dalam skema kriptografi kuantum yang paling sederhana, Alice mentransmisikan informasi kepada Bob menggunakan foton dengan polarisasi acak. Arah kompresi dapat memainkan peran kompresi: jika tidak dipilih dengan benar, penyerang yang memotong saluran komunikasi akan mengukur kebisingan daripada sinyal.

Detektor gelombang gravitasi. Untuk tugas ini, Anda perlu menangkap fluktuasi terkecil dari beban besar. Ini biasanya dilakukan dengan menggunakan interferometer Michelson. Itu dibangun sangat sederhana: laser, dua cermin dan satu piring tembus:

Laser dipantulkan dari dua cermin, dua pantulan mengganggu, dan sebuah pola interferensi terbentuk pada layar. Jika salah satu cermin bergerak, maka gambar juga bergerak. Ini terjadi karena perubahan fase gelombang: cermin telah pindah - jalur laser telah menjadi sedikit lebih lama, fase tambahan telah datang - strip interferensi telah bergeser.

Karena interferometer mengukur fase, resolusinya tidak bisa lebih baik daripada ketidakpastian fase. Untuk laser konvensional, itu terbatas pada tingkat kebisingan kuantum standar. Tetapi jika kita mengganti laser dengan sumber cahaya yang diperas fase, maka masalah ini akan hilang, dan kita akan dapat mengukur jarak dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Hari ini, ini dilakukan di salah satu detektor gelombang gravitasi terbesar GEO600, dan, tampaknya, direncanakan untuk detektor ruang LISA. Ngomong-ngomong, di antara pengguna GT ada Shkaff , yang baru saja melakukan ini dan siap untuk menjawab pertanyaan Anda di komentar.

Pengukuran fase yang akurat. Cahaya yang diperas fase dapat berguna untuk pengukuran menggunakan metode kontras fase, teknik sehari-hari dalam biologi modern.

Bagaimana cara menghasilkan?

Membuat cahaya terkompresi tidak begitu sederhana. Untuk ini, proses optik nonlinier digunakan. Cukup sulit dijelaskan dengan jari, tetapi saya akan memberikan satu contoh.

Dalam beberapa kristal, efek yang disebut Kerr nonlinier diamati - ketergantungan indeks bias pada intensitas cahaya. Mari kita kirim pulsa laser ke kristal seperti itu. Untuk setiap pulsa, intensitas di bagian depan lebih rendah daripada di tengah - yang berarti bahwa indeks bias akan berubah paling kuat di mana pusat pulsa sekarang. Perbedaan dalam indeks bias mengarah pada fakta bahwa fase gelombang di pusat dan di depan bervariasi secara berbeda. Totalitas dari perubahan-perubahan ini mengarah pada fakta bahwa fase menjadi didefinisikan sedikit lebih baik dari biasanya, dan intensitas - sebaliknya, sedikit lebih buruk. Halo, cahaya diperas :).

Bagaimana cara mendeteksi?

Cahaya terkompresi juga dapat diukur dengan beberapa cara.

1. Skema Hanbury Brown-Twiss.

Dalam seri tentang Hanbury Brown dan Twiss, saya mengatakan bahwa fungsi korelasi g ⁽²⁾ sesuai dengan lebar distribusi jumlah foton. Kompresi amplitudo cahaya berarti bahwa jumlah foton ditentukan lebih baik dari biasanya. Karena itu, dalam arti luas kata g ⁽²⁾ kurang dari satu - tanda cahaya yang diperas.

2. Detektor keseimbangan. Ini seperti sirkuit Hanbury Brown-Twiss, tetapi alih-alih korelasi, kami mengurangi atau menambahkan sinyal dari dua dioda (atas permintaan kami):

Cermin transparan mentransmisikan atau memantulkan setiap foton secara acak. Keacakan ini memperkenalkan noise kuantum tambahan (seperti noise tembakan) ke dalam sinyal . Kebisingan tersebut memiliki tanda yang berbeda pada dua dioda: jika foton dipantulkan, maka ia tidak akan terbang; jika terbang, itu tidak akan tercermin.

Jika kita mengurangi sinyal dari satu dioda dari yang lain, maka noise kuantum tidak akan pergi ke mana pun. Dan jika kita menjumlahkannya? Maka kebisingan akan hilang, karena memiliki tanda yang berbeda. (Penjelasan lain: kami membagi cahaya menjadi dua bagian, dan kemudian melipatnya kembali - ini, jelas, tidak menambah kebisingan tambahan.)

Jadi, pengurangan menambahkan kita kebisingan dengan tingkat kuantum standar, dan penambahan tidak mengubah apa pun. Jika cahaya yang dipelajari adalah amplitudo-diperas (yaitu, "tanpa suara"), maka pengurangan akan membuatnya lebih berisik, dan penambahan akan membiarkannya tidak berubah. Beralih antara penjumlahan dan pengurangan, kita dapat mengukur tingkat kebisingan, dan jika berbeda, maka kita amati cahaya yang diperas amplitudo.

Suara setelah penambahan (merah) dan pengurangan (biru) terlihat seperti ini. Kebisingan merah jauh lebih lemah dan sesuai dengan cahaya terkompresi.

3. Homodyning. Kompresi amplitudo mudah diukur, tetapi bagaimana dengan kompresi fasa? Jika dimungkinkan untuk "memutar" orientasi elips (yaitu, fase cahaya), maka cahaya dari fase yang diperas akan menjadi kompresi amplitudo. Fase dapat diputar dengan mencampurkan cahaya dengan gelombang referensi. Ini sangat mirip dengan osilator penerima-lokal, hanya pada osilator lokal frekuensi referensi dan gelombang yang dipelajari berbeda, tetapi pada osilator lokal tidak (karena itu namanya).

Bahkan di homodyne, Anda perlu memilih fase gelombang referensi. Dalam elektronik, ini dilakukan oleh pemindah fasa, dalam optik dengan garis tunda (semakin lama cahaya datang, semakin banyak fase akan berjalan). Pencampuran terjadi pada cermin tembus pandang yang sama:

Gelombang referensi berasal dari bawah. Dan kemudian - detektor seimbang yang sama.

Dan dari yang menarik

Sejauh ini, cahaya yang diperas hanya digunakan dalam interferometri ultra-presisi. Masalahnya adalah itu sangat rapuh. Ini mudah dipahami dengan contoh cahaya yang diperas amplitudo yang ideal (fluks foton sangat berkala):

Dalam penyebaran cahaya, kerugian tidak bisa dihindari, yang selalu tidak disengaja. Ini berarti bahwa foton akan menghilang dari aliran secara acak:

Seperti yang Anda lihat, hampir tidak ada yang tersisa dari periodisitas. Serta dari kompresi. Oleh karena itu, cahaya terkompresi sangat sulit untuk mentransmisikan jarak jauh.

Dan akhirnya, mari kita kagumi skema detektor gravitasi GEO 600 dekat Hanover:

Sumber cahaya terkompresi berada di latar belakang kuning. Ini menggunakan proses optik nonlinier, tetapi bukan Kerr nonlinier, tetapi generasi harmonik kedua dari radiasi. Garis putus-putus merah adalah cahaya terkompresi. Di atas kanan adalah interferometer Michelson dengan bahu 600 meter; cermin ditangguhkan pada beban yang harus berosilasi dari gelombang gravitasi. Gambar dari interferometer diperoleh pada fotodioda di sudut kanan bawah.

Sumber
M. Fox. Optik kuantum: Pendahuluan - Oxford University Press, 2006.
Terima kasih kepada Shkaff atas komentar pakar.

Gambar gratis : KDPV , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6, 7 , 8 , 9 , 10 .