Quantumテクノロジーは、さまざまな分野で役立ちます。たとえば、非常に弱い信号を測定する必要があり、システム内の量子ノイズが邪魔になる場合です。これは、たとえば重力波検出器では、ミラーの位置を測定するために使用されるレーザーの振幅と位相の量子変動が重力波の観測に干渉するという従来の問題です。これについては、近い将来ヨーロッパに登場するアインシュタイン望遠鏡検出器についての記事で話しました。
私たちの実験では、この検出器の小さなプロトタイプを入手しました。
この実験に関する私たちの記事のプレプリントが本日リリースされました：極低温に冷却されたマイクロメカニカルメンブレンでのスクイーズドライト干渉法。
1.簡単な紹介
科学者が研究したいと思う自然界には多くの弱い力があります。
問題は、力を直接測定することはできず、異なる体への影響しか観察できないことです。
力を測定する最も簡単で効果的な方法は、振り子を使用することです。力が振り子を動かし、その変位を測定します。力の周波数が振り子の共振周波数に近い場合、変位が大幅に強化され、良好な信号を観察できます。
光を使って振り子の変位を測定すると便利です。反射物質で覆われた振り子にレーザーを当てると、反射光の位相に振り子の変位に関する情報が含まれます。
光の位相を直接観察することはできません。そのためには干渉計が必要です。
マイケルソン干渉計：レーザービームは、ビームスプリッターによって2つの等しい部分に分割され、可動ミラーで反射され、変位に関する情報で位相を取得します。ビームスプリッターに戻った後、ビームのさまざまな位相が干渉し（振幅が加算または減算され）、出力でミラーの変位に比例した信号が表示されます。
重力波検出器はこの原理だけでなく、ほとんどのセンサーでも機能します。
残念ながら、そのような検出器の信号に加えて、他の多くのノイズ源があります。アインシュタイン望遠鏡検出器についての記事
でそれらのいくつかについて書きましたが、ここでは2つだけに制限します。
1.熱ノイズ
振り子をひもで吊るされた鏡として想像してみましょう。
このスレッド内の分子の熱ブラウン運動は、ミラーの振動を励起します。この動きは原則としてランダムであり、さまざまな周波数でミラーに作用する力として表すことができます。振り子の共振に近い周波数では、この力によってミラーの変位が共振して増加します。また、熱力のスペクトルは白ですが（つまり、力はすべての周波数で同じです）、ミラーモーションのスペクトルを測定すると、共振周波数に特徴的なピークが見られます。
熱ノイズスペクトル：さまざまな周波数での熱ノイズによる振り子の変位。温度が低いほど、ノイズは少なくなります。ここから盗まれました。
熱ノイズは、温度（ノイズが少ないほど）とスレッドの品質（損失量）に依存します。厳密に言えば、観測されたノイズとシステム内の散逸を関連付ける変動散逸定理があります。
したがって、将来の重力波検出器では、このノイズは、サスペンション（およびミラー）を冷却することとその品質を向上させることの2つの方法で戦うことになります。私たちの実験では、熱ノイズのスペクトルを観察し、冷却を使用してそれを低減しましたが、それについては以下で詳しく説明します。
2.量子ショットノイズ
光には量子的な性質があり、個々の光子は異なるランダムな遅延で飛行します。言い換えれば、光線の位相はランダムであることがわかります。
外力からの位相信号を測定しようとすると、この位相の不確実性によって制限されます。検出器にはホワイトスペクトルノイズが見られますが、これが測定精度の根本的な制限であることがわかります。すべての検出器はショットノイズに制限されています。その基本的な性質にもかかわらず、量子相関を使用してこのノイズを減らすことができます。
これを行うには、少し量子力学を覚えておく必要があります。位相の不確実性とレーザー振幅の不確実性は、ハイゼンベルグの関係によって関連付けられています。
従来のレーザービームでは、これらの不確実性は同じです。ただし、振幅の不確実性を増やすことで位相の不確実性を圧縮することは可能です。主なことは、それらの積が不確実性の関係を満たすことです。このような光はG度圧縮と呼ばれます。
このようなトリックを使用して位相の不確実性を圧縮し、信号をよりよく観察できるようにします。ちなみに、重力波検出器は、最近のすべての観測にすでに絞り光を使用しています。最近まで、この絞りたての光で遊ぶ実験をして、Habréに書いた。
それでは、基本を理解したので、実験に移りましょう。
2.干渉計
私たちの実験では、振り子として一辺が1 mm、厚さがわずか50nmの小さな膜を使用しました。
左：膜の写真（灰色の枠の中央にある小さな窓）。メンブレンはフレーム上でドラムのように引き伸ばされ、内部で振動します。右：膜変位の図。
約400キロヘルツの周波数で、このような膜が振動し、そのQファクタ（半分エネルギーの損失前振動数）は約10である5。ただし、これを行うには、真空に置く必要があります。そうしないと、空気が押しすぎて振動しません。
また、非常に透明です。反射率はわずか20％です。
マイケルソン干渉計でこのような膜を使用すると、ほとんどの信号が失われるため、これはあまり便利ではありません。さらに悪いことに、スクイーズドライトを使用する場合、これらの量子相関も失われ、特に損失に敏感です。そこで、干渉計の異なる構成を使用することにしました。Michelson干渉計の2つのアームを「折りたたんで」、2つのミラーが1つ（膜）になるようにしました。
このような干渉計には、2つのモードがあります。光の一部が膜を通過するモードと、信号を伝送せずに干渉計を離れるモードです（これがSagnacモードです）。他の部分は反射され、膜の変位に比例した位相を取得し、干渉計の出力で信号を受信します。
ミシェルソン-サニャック干渉計
干渉計の主な問題の1つは、その調整です。光は理想的には中央のビームスプリッターでオーバーラップする必要があります。そうしないと、干渉が発生せず、感度と圧縮光が失われます。これは、干渉計が真空チャンバーまたはクライオスタット内にある場合は特に困難です。干渉計を可能な限り安定させるために、熱膨張係数の低い単一の材料ブロックから作成し、冷却時に歪まないように形状を最適化しました。また、外部からの熱放射から可能な限り隔離するために、金メッキでコーティングされています。このブロックをクライオスタットに入れ、20K（-253C）まで冷却することができます。
干渉計の概略図
干渉計の分解写真：左側-低温でミラーを変位させる干渉計とピエゾモーター。右側はホルダーのメンブレンです。
3.圧縮光
絞られた光の状態への優れた入門書であるHabréに関する記事を読む ことをお勧めします。
圧縮光はさまざまな方法で作成でき、非線形結晶を使用しています。
結晶がフォトンでポンピングされると、非線形プロセスにより、ポンピングフォトンの半分のエネルギー（周波数）で1つのポンピングフォトンから2つのフォトンが生成されます。これらの光子は、量子絡み合った状態にあります。このようなペアの光子のフラックスは、通常の光のフラックスよりも秩序だっていることがわかります。ショットノイズが低減されます-圧縮効果。
この場合、位相の不確実性は、振幅の不確実性を増加させることにより、ゼロに制限されて減少します。逆に、振幅の不確実性を減らすことができます。私たちの実験では、光自体を圧縮するのではなく、フィールドのゼロ状態の量子変動（つまり、いわゆる真空変動）を圧縮します。このような圧縮された真空では、平均振幅はゼロであり、位相と振幅の不確実性のみがあります。
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実験では、最初に非線形プロセスを使用してポンピングビームを作成し、波長を1550nmから775nm（SHG）に減らし、次にこのポンピングを使用して1550nmの波長で真空変動を圧縮します。次に、干渉計で得られた光を測定し、仕切りのレーザービームと位置合わせします。このアプローチはホモダイン検出と呼ばれます。
この実験では、干渉計への入力で約8.7 dBの圧縮（7.5倍のノイズ低減）がありましたが、一般に、最大30倍（15 dB）のはるかに強力な圧縮を実行できます。上で書いたように、圧縮光は光損失の影響を非常に受けやすく、感度の向上はそれほど重要ではありませんでした（4.8dB）。
サンプルデータ
ホモダイン検出器の位相は周期的に変化するため、緑色の曲線に見られるように、スクイーズドライトとアンチスクイーズドライトが観察されます。紫色の線は、光の真空状態のショットノイズレベルです。
ホモダイン検出器の位相は周期的に変化するため、緑色の曲線に見られるように、スクイーズドライトとアンチスクイーズドライトが観察されます。紫色の線は、光の真空状態のショットノイズレベルです。
4.すべてをまとめる
圧縮された光を信号ポートから干渉計に送ります。それは干渉計を通過し、膜の動きからの信号とともに戻ってきます。両方ともホモダイン検出器に向けられています。
光のすべての位相を監視する必要があります。共振器はメインビームと共振し続ける必要があり、絞り出された光の位相は信号の位相と一致する必要があり、干渉計は正しく調整されたままであり、ホモダイン検出器は正しい位相を測定する必要があります。
結果として、それはすべて一緒に大きな部屋を占めます：
その他の写真
その結果、メンブレンの熱運動を観察し、100Kから20Kまで冷却することができました。この冷却は、その動きのスペクトルで直接観察できます。温度が下がると、ノイズも減少しました。一方、圧縮光を使用し、ショットノイズを3回抑制しています。その結果が、冷却干渉計と量子圧縮を初めて組み合わせたプロトタイプの重力波検出器です。
最も重要なことは、低温に冷却されたときに干渉計の調整を維持し、システムの量子相関の程度を低下させる損失を導入しないことが可能であることを示しています。
ほとんどの作業は私たちの研究室の大学院生によって行われました（写真は主に彼女の論文から取られています）。私たちは6年以上この結果に行きました、そしてすべてが記事の4ページに収まります。これが私たちが量子光学研究室で過ごす方法です。次回は、別の実験について説明し、光学系とhikpornの内部をさらに示します。
極低温に冷却されたマイクロメカニカルメンブレンでのスクイーズドライト干渉法
大事なことを言い忘れましたが、私が英語で科学的なTwitterを行う方法を理解しようとしているときに私を見たい場合は、@ hbar_universeへようこそ。