Текст уведомления здесь

Сжатый свет победил квантовые флуктуации в измерениях

Коллектив ученых из США доказал и продемонстрировал, что сжатый свет может быть использован для охлаждения механической системы до абсолютного нуля.
Добавить в закладки
Комментарии

Сложность изучения квантовой физики в массивных механических системах (это могут быть обычные приборы — осцилляторы, источники питания, генераторы — все, основанные на переносе частиц) заключается в наличии теплового шума — он обусловлен тепловым движением носителей заряда. То есть чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, тем больше в объекте теплового шума. Для его подавления в механической системе требуется хорошая холодильная установка, но порой ее недостаточно.

Даже при низкой температуре квантовые флуктуации (случайные отклонения энергии единицы объема вакуума) накладывают на измерения эффект, известный как квантовый обратный предел. Явление заключается в том, что детектор не только делает измерения, но и влияет на изучаемый объект, искажая истинные значения его параметров. Это можно сравнить с тем, что для определения текстуры пластилина мы прикасаемся к нему пальцем и в результате повреждаем прежде гладкую поверхность.

Избавиться от квантового обратного предела в низкочастотных системах (осцилляторах) намного сложнее, чем в высокочастотных (источники питания, генераторы).

В работе физики исследовали низкочастотную систему. Они охладили алюминиевый барабан размером 20 мкм, включенный в сверхпроводящую электронную схему. На него направляли СВЧ-волны, сгенерированные в эксперименте параметрическим усилителем Джозефсона. СВЧ-волны представляют собой невидимый для глаза свет, так как они имеют большую, чем обычный свет, длину волны. Волны попадали внутрь барабана и отражались от имеющейся там электромагнитной впадины, то есть зазора, в котором сформировано электромагнитное поле. Колебания мембраны барабана воздействовали на частоту волн, стабилизируя всю систему «барабан—волны—детектор» для измерения параметров барабана.

Таким образом, исследователи «удалили» посторонний шум из фотонов, то есть удалили их лишние колебания, не входящие в гармонические колебания системы. После удаления шума фотоны стали «идеальными», то есть стали полностью подчиняться теории правильных гармонических колебаний. Такое преобразованное состояние потока фотонов называется сжатым светом, и именно оно позволяет получить температуру, при которой квантовые флуктуации не влияют на измерения. То есть барабан, отражая СВЧ волны, одновременно сам охлаждался, из него пропадали флуктуации.

Эксперимент проводился при температуре барабана 37 мК — на данный момент такую температуру нетрудно получить в соответствующе оборудованной лаборатории.

Итогом работы стало получение общего метода для охлаждения оптико-механических систем — резонаторов, осцилляторов. С этой техникой теоретически даже низкочастотный механический осциллятор может быть охлажден вплоть до абсолютного нуля. При этой температуре атомы оптомеханической системы полностью лишаются энергии, а следовательно, и способности двигаться.

Это дает возможность изучать квантовую физику не только в отдельно взятых кристаллах, но и в более сложных и упорядоченных системах, включающих в себя рабочие приборы, например элементы электрической цепи.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Ранее ученым удалось впервые измерить квантовые флуктуации в вакууме.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы