2008-01-28

全世界雜訊最低的雷射

The world's lowest noise laser: Researchers outsmart quantum physics
http://www.physorg.com/news120489240.html
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/bilderWissenschaft/2008/01/Schnabel0801/pressebild.html

January 25, 2008

德國 Max Planck Institute for Gravitational Physics 與 Leibniz 大學漢諾威分校的研究者製造出超高品質的雷射光束。為了辦到這件事,他們藉由精確地將光子以一種特殊順序放置,在光子的控制上締造了一項新的世界記錄。

這項結果減少了量子力學 90% 的強烈波動,稱為光子雜訊(photon noise)。在重力波偵測器中利用這種極端安靜(譯註:原文作 quite,應筆誤)的光,能夠大幅增加它們的敏感度。這種所謂的壓縮光(squeezed light)也能夠用於量子金鑰的散佈,在此訊息以金鑰加密,其安全性受到量子力學保證。

光不等於光。這裡有燈泡的日常光線、雷射光與壓縮雷射光。後者因其強度、光子數量在本質上能夠在一定時間內維持固定不變,而顯得格外珍貴。在燈泡的日常光線或甚至在標準雷射光束中,這些光子都會隨機散佈。這受到量子物理學的統計學本質所規定。與陣雨相似,打中地面的雨滴有時多有時少,同樣的有時會有大量光子到達,有時只有一個。這種強度的波動稱為光子雜訊,在靈敏度高的測量中格外惱人。

在 Planck Institute for Gravitational Physics(Albert Einstein Institute)以及 Leibniz 大學漢諾威分校的物理學家將光子雜訊減少了 10 倍(少了 90%)。以術語來說,這種效應稱為壓縮(squeezing,擠壓)。據此,他們創造了新的世界記錄。就在數月之前,他們創了另一項世界記錄,當時他們將雷射光束中的個別光子移動了多達半秒鐘,以便能夠達到更加規律的光子分布。根據 Roman Schnabel,Leibniz 大學漢諾威分校與 Max Planck Institute for Gravitational Physics 的資淺教授表示,"量子物理學的統計本質並沒有被違逆。光子的顯現仍是或然性的,然而,我們能聰明地連接光子對,故它們能以規律的間隔到來。" 這種效應又稱糾結(entanglement)。


更敏感的重力波偵測器

根據 Schnabel 教授表示,"利用我們的技術,我們現在能夠增加重力波偵測器 GEO600 的靈敏度。"這些方法已在較大型的美國 LIGO 偵測器上實作。有了這些偵測器,科學家才能夠偵測到需要極端精確測量的重力波。壓縮光也能應用到光學資料傳輸的任務上。它能用來安全地傳輸密鑰,因為傳輸的任何外部干涉都會導致高度有序的光子序列崩解。"我們只在進行量子密碼學應用的初步研究," Schnabel 教授表示。

一般來說雷射光束中的強度波動並不明顯,因為每個光子只攜帶微小能量。物理學家必須十分接近觀察才能夠注意到這種波動。這就是他們在 Albert Einstein Institute 所完成的事。他們將雷射光注入重力波偵測器 GEO600 以便測量二面鏡子之間極度微小的距離變化。他們的目標是在宇宙中直接觀測重力波。這些測量如此靈敏,雷射光束的光子雜訊可以清晰可見。


結晶體是光的硬碟

當前所有的重力波偵測器都使用紅外線雷射。Roman Schnabe 等人利用綠光(波長只有紅外線的一半)以及雙折射結晶體,創造出極度劃一的雷射光束,使偵測器受到大幅改進。"綠光雷射使結晶體預備妥當,所以紅外線雷射能夠被壓縮," Roman Schnabel 說。綠光能使結晶體極化,致使結晶體原子的電子雲能以綠光的頻率震盪。在此狀態下,結晶體能夠貯存來自於紅外線的光子。這也是當紅外線將許多光子送至結晶體時,結晶體所做的事。當光子通量變少時,被貯存起來的光子會置入紅外線雷射中。此法讓更加規律的光子分布得以達成。

※ 後面解說重力波偵測器的偵測方法以及他們所能夠達成的改善,略譯。

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