Сжатый свет или при чем здесь гравитационные волны

      Комментарии к записи Сжатый свет или при чем здесь гравитационные волны отключены

Сжатый свет или при чем здесь гравитационные волны

В статье говорится об одном необыкновенном состоянии света и о его не меньше необыкновенных применениях.

*Милицейский останавливает Гейзенберга, превысившего скорость.

  • Вы хоть понимаете с какой скоростью вы ехали?
  • Нет, но я совершенно верно знаю, где я был.

(бородатый анекдот)*

Соотношение неопределенностей Гейзенберга запрещает в один момент измерить скорость и координату (импульс) частицы. Наряду с этим никто не мешает совершенно верно померить одну из размеров – но тогда неопределенность второй станет еще больше.

По большому счету соотношения неопределенностей видятся в физике частенько. К примеру, такое же соотношение правильно для электромагнитной волны: оно связывает ее интенсивность (= число фотонов) и фазу:

Из-за данной неопределенности мы не можем совершенно верно измерить обрисовываемую волной синусоиду, для наблюдателя она постоянно будет в шумовой дымке:

Это возможно наглядно продемонстрировать на круговой диаграмме, где амплитуде соответствует радиус до точки, фазе – угол между направлением на точку и осью Х. Зеленым продемонстрирована неопределенность:

Наряду с этим никто не мешает определить или амплитуду, или фазу. Тогда кружок погрешностей превратится в эллипс, сжавшись в одном направлении и растянувшись в другом:

Такое состояние именуется сжатым светом, по причине того, что флуктуации амплитуды либо фазы сжимаются на протяжении одной из осей, уменьшая неточность измерения. Первое именуют амплитудным сжатием (эллипс вытянут поперек радиуса, возможно совершенно верно померить амплитуду в максимумах-минимумах синусоиды); второе – фазовым (эллипс на протяжении радиуса, возможно померить фазу в нулях синусоиды).

Из-за чего это принципиально важно?

Для простого света мы не можем померить амплитуду либо фазу правильнее, чем нам дает кружок погрешностей. Это именуется стандартным квантовым уровнем шумов. Сжатый свет разрешает уменьшить погрешность в одном направлении и «поднырнуть» под данный уровень шумов.

В каком-то смысле мы можем [пафос_mode_on] делать более правильные измерения, чем того желала бы природа [пафос_mode_off].

Несложный пример.

Любой источник света каждую секунду генерирует целое число фотонов. Оно может изменяться от секунды к секунде из-за квантовой природы света, образуя распределение числа фотонов (я упоминал это в рассказе про Хэнбери Брауна и Твисса).

Число фотонов – это то же самое, что и интенсивность света. Другими словами интенсивность мало «шумит» — изменяется от секунды к секунде. Это и имеется обычный квантовый уровень шума.

А вот в случае если число фотонов не изменяется от секунды к секунде (рисунок справа), то интенсивность строго постоянна и лишена какого-либо шума. Именно это будет светом, максимально сжатым по амплитуде. Поток фотонов наряду с этим выглядит как-то так:

Другими словами фотоны испускаются строго периодично. В случае если периодичность нарушается, свет все равно остается до какой-то степени сжатым.

Для чего это необходимо?

В отличие от вторых экзотических объектов, использование сжатого света были очень перспективными.

Телеком. Передача информации при помощи модуляции сжатой переменной (амплитуды (АМ) либо фазы (FM), более неспециализированный термин квадратуры) разрешает расширить отношение сигнал/шум. Вероятно построение усилителей, что додают шум лишь в ту квадратуру, которая несжата и не несет нужного сигнала.

Квантовая запутанность.

В некоторых случаях возможно проводить параллели между сжатием света и запутанностью фотонов. К примеру, возможно запутать два пучка света: один сжатый по амплитуде, второй – по фазе.

Квантовая криптография.

Вытекает из картинки и квантовой запутанности выше. В несложной схеме квантовой криптографии Алиса передает Бобу данные при помощи фотонов со случайной поляризацией. Роль поляризации может играться направление сжатия: при неправильном его выборе преступник, перехвативший канал связи, измерит не сигнал, а шум.

Детекторы гравитационных волн.

Для данной задачи необходимо улавливать небольшие колебания огромных грузов. В большинстве случаев это делается при помощи интерферометра Майкельсона. Он устроен весьма легко: лазер, два зеркала и одна полупрозрачная пластинка:

Лазер отражается от двух зеркал, два отражения интерферируют, и на экране образуется интерференционная картина. В случае если одно из зеркал движется, то движется и картина. Происходит это из-за трансформации фазы волны: зеркало отодвинулось – путь лазера стал чуть продолжительнее, набежала дополнительная фаза – интерференционные полосы сдвинулись.

Так как интерферометр измеряет фазу, его разрешение не может быть лучше, чем неопределенность фазы. Для простого лазера она ограничена стандартным квантовым уровнем шума. А вот в случае если заменить лазер на источник фазово-сжатого света, то эта неприятность провалится сквозь землю, и мы сможем измерять расстояния с невиданной точностью.

Сейчас это делается в самом громадном детекторе гравитационных волн GEO600, и, по всей видимости, планируется на космическом детекторе LISA. Кстати, среди пользователей GT имеется Shkaff, что именно этим и занимается и готов ответить на ваши вопросы в комментариях. 🙂

Правильное измерение фазы.

Фазово-сжатый свет возможно нужен для измерений способом фазового контраста – повседневной методики в современной биологии.

Как сгенирировать?

Создать сжатый свет не так легко. Для этого используют нелинейные оптические процессы. На пальцах их растолковать достаточно сложно, но один пример приведу.

В некоторых кристаллах отмечается эффект называющиеся нелинейность Керра – связь показателя между интенсивности и преломления света. Отправим на таковой кристалл лазерный импульс. У любого импульса интенсивность на фронтах ниже, чем в центре – соответственно, показатель преломления наиболее изменятся в том месте, где на данный момент находится центр импульса.

Отличие показателей преломления ведет к тому, что фаза волны в центре и на фронтах изменяется по-различному. Совокупность этих трансформаций ведет к тому, что фаза делается выяснена чуть лучше, чем в большинстве случаев, а интенсивность – напротив, чуть хуже. Здравствуй, сжатый свет :).

Как засечь?

Измерить сжатый свет возможно также несколькими методами.

1. Схема Хэнбери Брауна – Твисса.

В цикле про Хэнбери Брауна и Твисса я говорил, что корреляционная функция g(2) соответствует ширине распределения числа фотонов. Амплитудное сжатие света свидетельствует, что число фотонов выяснено лучше, чем в большинстве случаев. Исходя из этого в широком смысле слова g(2) меньше единицы – показатель сжатого света.

2. Балансный детектор. Это как схема Хэнбери Брауна – Твисса, но вместо корреляций мы или вычитаем, или складываем сигналы с двух диодов (по отечественному жажде):

Полупрозрачное зеркало пропускает либо отражает любой фотон случайно. Эта случайность вносит в сигнал дополнительный квантовый шум (типа дробового). Таковой шум имеет различный символ на двух диодах: в случае если фотон отразился, то он не пролетит; в случае если пролетел – не отразится.

В случае если мы вычтем сигнал одного диода из другого, то квантовый шум некуда не убежит. А вдруг сложим? Тогда шум пропадет, по причине того, что он имеет различный символ. (Второе объяснение: мы поделили свет на две части, а позже сложили их обратно – дополнительного шума это, разумеется, не прибавило.)

Итак, вычитание додаёт нам шум со стандартным квантовым уровнем, а сложение ничего не меняет. В случае если изучаемый свет был амплитудно-сжатым (т.е. «бесшумным»), то вычитание сделает его более шумным, а сложение – оставит без трансформаций. Переключаясь между вычитанием и сложением, мы можем измерять уровень шума, и если он отличается, то мы замечаем амплитудно-сжатый свет.

Приблизительно так выглядит шум по окончании сложения (красный) и вычитания (светло синий). Красный шум значительно не сильный и соответствует сжатому свету.

3. Гомодинирование. Амплитудное сжатие измерить легко, а что же делать с фазовым? В случае если удастся «развернуть» ориентацию эллипса (другими словами фазу света), то свет из сжатого по фазе станет сжатым по амплитуде. Фазу возможно развернуть, смешивая свет с опорной волной.

Это весьма похоже на приемник-гетеродин, лишь в гетеродине частота опорной и изучаемой волн отличается, а в гомодине – нет (из этого и наименование).

Еще в гомодине необходимо подобрать фазу опорной волны. В электронике это делается фазовращателем, в оптике – линией задержки (чем позднее придет свет, тем больше набежит фаза). Смешивание происходит на том же полупрозрачном зеркале:

Опорная волна подходит снизу. А дальше – тот же балансный детектор.

И еще из увлекательного

До тех пор пока что сжатый свет употребляется лишь в сверхточной интерферометрии. Неприятность в том, что он оказывается поразительно хрупким. Это легко понять на примере совершенного амплитудно-сжатого света (поток фотонов строго периодичен):

При распространении света неизбежны утраты, каковые неизменно случайны. Это значит, что фотоны будут исчезать из потока случайным образом:

Как видно, от периодичности практически ничего не осталось. Равно как и от сжатия. Исходя из этого сжатый свет весьма сложно передавать на громадные расстояния.

Ну и напоследок давайте налюбуемся схемой гравитационного детектора GEO 600 под Ганновером:

Источник сжатого света – на желтом фоне. В нем употребляется нелинейный оптический процесс, но не нелинейность Керра, а генерация второй гармоники излучения. Красный пунктир – это и имеется сжатый свет.

Сверху-справа – интерферометр Майкельсона с плечами по 600 метров; зеркала подвешены на грузах, каковые должны колебаться от гравитационных волн. Картина с интерферометра получается на фотодиоде в нижнем правом углу.

Источники

M. Fox.

Quantum optics: An Introduction

  • Oxford University Press, 2006.

Картины: КДПВ, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.

Сергей Попов: Начало гравитационно-волновой астрономии


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: