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麻省理工学院:量子“挤压”可提高卫星通信、GPS系统计数精度

2023-12-06 16:55:34 MIT News Office 阅读:
研究人员表明,通过操纵或 "挤压 "造成量子噪声的状态,振荡器的稳定性可以得到改善,甚至突破其量子极限。

计时的准确度取决于摆动的稳定性。在落地钟中, 一秒的长度由钟摆的一次摆动来标记。在数字手表中,石英晶体的振动标记的时间分数要小得多。而在世界上最先进的计时器--原子钟中,激光束的振荡刺激原子以每秒 92 亿次的频率振动。这些最小、最稳定的时间分段为今天的卫星通信、GPS 系统和金融市场提供了计时。U7Xednc

时钟的稳定性取决于其所处环境的噪音。一阵微风就会使钟摆的摆动失去同步,热量也会扰乱原子钟中原子的振荡,消除这些环境影响可以提高时钟的精度。但也仅限于此。U7Xednc

麻省理工学院的一项新研究发现,即使消除了所有来自外界的噪音,时钟、激光束和其他振荡器的稳定性仍然容易受到量子力学效应的影响。振荡器的精度最终将受到量子噪声的限制。U7Xednc

但在理论上,有一种方法可以突破这一量子限制。研究人员表明,通过操纵或 "挤压 "造成量子噪声的状态,振荡器的稳定性可以得到改善,甚至突破其量子极限。U7Xednc

麻省理工学院机械工程助理教Vivishek Sudhir说:"我们已经证明,激光和时钟等振荡器的稳定性实际上是有限的,这不仅取决于它们的环境,还取决于量子力学迫使它们稍微晃动的事实。然然后,我们已经证明,有一些方法甚至可以绕过这种量子力学震动。"U7Xednc

研究小组正在对他们的理论进行实验验证。如果他们能证明可以操纵振荡系统中的量子态,研究人员设想可以将时钟、激光和其他振荡器调整到超量子精度。然后,这些系统就可以用来追踪时间上无限小的差异,比如量子计算机中单个量子比特的波动,或者在探测器之间闪烁的暗物质粒子的存在。U7Xednc

麻省理工学院物理系研究生Hudson Loughlin说:"我们计划在未来几年内展示具有量子增强计时能力的激光器的几个实例。我们希望我们最近的理论发展和即将进行的实验能提高我们精确计时的基本能力,并使新的革命性技术成为可能。"U7Xednc

Loughlin 和 Sudhir 在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上发表的一篇论文中详细介绍了他们的工作。U7Xednc

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激光精度

在研究振荡器的稳定性时,研究人员首先关注的是激光——一种产生高度同步光子波状光束的光学振荡器。激光的发明很大程度上归功于物理学家Arthur Schawlow和Charles Townes,他们根据其描述性缩写词创造了这个名字:受激辐射光放大。U7Xednc

激光器的设计以 "发光介质 "为中心,"发光介质 "是原子的集合,通常镶嵌在玻璃或晶体中。在最早的激光器中,围绕着发光介质的闪光灯管会刺激原子中的电子跃升能量。当电子放松回到较低能量时,就会以光子的形式发出一些辐射。照明介质两端的两面镜子会将发出的光子反射回原子中,从而激发更多的电子,产生更多的光子。其中一面镜子与激光介质一起充当 "放大器",促进光子的产生,而第二面镜子部分透射,充当 "耦合器",将一些光子提取出来,形成一束集中的激光。U7Xednc

自从激光发明以来,肖洛和汤斯提出了一个假设,即激光的稳定性应该受到量子噪声的限制。此后,其他人通过模拟激光的微观特征来检验他们的假设。通过非常具体的计算,他们表明,激光光子和原子之间难以察觉的量子相互作用确实会限制其振荡的稳定性。U7Xednc

“但这项工作必须进行极其详细、精密的计算,这样才能理解极限,但仅限于特定类型的激光,” Sudhir指出。“我们希望极大地简化这一过程,以了解激光器和各种振荡器。”U7Xednc

施加“挤压”

该团队并没有关注激光的物理复杂性,而是寻求简化问题。U7Xednc

“当电气工程师考虑制造振荡器时,他们会采用放大器,并将放大器的输出馈送到自己的输入中,” Sudhir解释道。“这就像一条蛇吃自己的尾巴。这是一种极其解放的思维方式。您无需了解激光的具体细节。相反,你有一个抽象的图片,不仅是激光,而且是所有振荡器。”U7Xednc

在他们的研究中,研究小组绘制了类激光振荡器的简化表示。他们的模型由放大器(例如激光器的原子)、延迟线(例如光在激光器镜子之间传播的时间)和耦合器(例如部分反射镜)组成。U7Xednc

然后,研究小组写下了描述系统行为的物理方程,并进行了计算,看看系统中哪里会出现量子噪声。U7Xednc

“通过将这个问题抽象为一个简单的振荡器,我们可以查明量子涨落进入系统的位置,它们出现在两个地方:放大器和耦合器,使我们能够从振荡器中获取信号,” Loughlin说。“如果我们知道这两件事,我们就知道该振荡器稳定性的量子极限是多少。”U7Xednc

科学家可以使用他们在研究中提出的方程来计算他们自己的振荡器的量子极限。U7Xednc

更重要的是,该团队表明,如果两个来源之一的量子噪声可以被“压缩”,那么这个量子极限可能会被克服。量子压缩是一种以系统某一方面的量子波动最小化为代价,而牺牲另一方面的波动按比例增加的想法。其效果类似于将空气从气球的一个部分挤压到另一部分。U7Xednc

就激光器而言,研究小组发现,如果耦合器中的量子涨落受到挤压,则可以提高出射激光束的精度或振荡时间,即使激光器功率中的噪声会因此增加。U7Xednc

参考链接:With a quantum “squeeze,” clocks could keep even more precise time, MIT researchers propose;Demi Xia编译U7Xednc

责编:Demi
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