Los físicos del MIT han diseñado un "exprimidor de luz" cuántico que reduce el ruido cuántico en un rayo láser entrante en un 15 por ciento. Es el primer sistema de este tipo que funciona a temperatura ambiente, haciéndolo apto para un pacto, configuración portátil que se puede agregar a experimentos de alta precisión para mejorar las mediciones láser donde el ruido cuántico es un factor limitante.

El corazón del nuevo exprimidor es una cavidad óptica del tamaño de una canica, alojado en una cámara de vacío y que contiene dos espejos, uno de los cuales es más pequeño que el diámetro de un cabello humano. El espejo más grande permanece estacionario mientras que el otro es movible, suspendido por un voladizo a modo de resorte.

La forma y composición de este segundo espejo "nanomecánico" es la clave para que el sistema funcione a temperatura ambiente. Cuando un rayo láser entra en la cavidad, rebota entre los dos espejos. La fuerza impartida por la luz hace que el espejo nanomecánico oscile hacia adelante y hacia atrás de una manera que permite a los investigadores diseñar la luz que sale de la cavidad para que tenga propiedades cuánticas especiales.

La luz láser puede salir del sistema en un estado comprimido, que se puede utilizar para realizar mediciones más precisas, por ejemplo, en computación cuántica y criptología, y en la detección de ondas gravitacionales.

"La importancia del resultado es que puede diseñar estos sistemas mecánicos para que, a temperatura ambiente, todavía pueden tener propiedades mecánicas cuánticas, "dice Nergis Mavalvala, el profesor de mármol y jefe asociado de física en el MIT. "Eso cambia el juego por completo en términos de poder usar estos sistemas, no solo en nuestros propios laboratorios, alojado en grandes refrigeradores criogénicos, pero en el mundo ".

El equipo ha publicado sus resultados en la revista Física de la naturaleza . La autora principal del artículo es Nancy Aggarwal, un ex estudiante graduado de física en el Laboratorio MIT LIGO, ahora un postdoctorado en la Universidad Northwestern. Otros coautores del artículo junto con Mavalvala son Robert Lanza y Adam Libson en MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, y Thomas Corbitt de la Universidad Estatal de Louisiana; y Garrett Cole, David Follman, y Paula Heu de Crystalline Mirror Solutions en Santa Bárbara, California.

Un frío "espectacular"

Un láser contiene multitud de fotones que fluyen en ondas sincronizadas para producir un brillo, haz de luz enfocado. Dentro de esta configuración ordenada, sin embargo, hay un poco de aleatoriedad entre los fotones individuales de un láser, en forma de fluctuaciones cuánticas, también conocido en física como "ruido de disparo".

Por ejemplo, el número de fotones en un láser que llegan a un detector en un momento dado puede fluctuar alrededor de un número promedio, de una forma cuántica que es difícil de predecir. Igualmente, el momento en que un fotón llega a un detector, relacionado con su fase, también puede fluctuar alrededor de un valor medio.

Ambos valores, el número y la sincronización de los fotones de un láser, determinan la precisión con la que los investigadores pueden interpretar las mediciones del láser. Pero de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica, es imposible medir simultáneamente tanto la posición (o tiempo) como el momento (o número) de partículas al mismo tiempo con absoluta certeza.

Los científicos trabajan en torno a esta restricción física mediante la compresión cuántica:la idea de que la incertidumbre en las propiedades cuánticas de un láser, en este caso, el número y la sincronización de los fotones, se puede representar como un círculo teórico. Un círculo perfectamente redondo simboliza la misma incertidumbre en ambas propiedades. Una elipse, un círculo comprimido, representa una incertidumbre menor para una propiedad y una incertidumbre mayor para la otra. dependiendo de como el circulo, y la relación de incertidumbre en las propiedades cuánticas de un láser, es manipulado.

Una forma en que los investigadores han llevado a cabo la compresión cuántica es a través de sistemas optomecánicos, diseñado con piezas, como espejos, que se puede mover en un grado minúsculo por la luz láser entrante. Un espejo puede moverse debido a la fuerza que le aplican los fotones que componen la luz, y esa fuerza es proporcional al número de fotones que golpean el espejo en un momento dado. La distancia que se movió el espejo en ese momento está relacionada con la sincronización de los fotones que llegan al espejo.

Por supuesto, los científicos no pueden conocer los valores precisos tanto del número como del tiempo de los fotones en un momento dado, pero a través de este tipo de sistema pueden establecer una correlación entre las dos propiedades cuánticas, y así reducir la incertidumbre y el ruido cuántico general del láser.

Hasta ahora, El exprimido optomecánico se ha realizado en grandes configuraciones que necesitan ser alojadas en congeladores criogénicos. Eso es porque, incluso a temperatura ambiente, la energía térmica circundante es suficiente para afectar las partes móviles del sistema, provocando un "jitter" que supera cualquier contribución del ruido cuántico. Para protegerse del ruido térmico, los investigadores han tenido que enfriar los sistemas a unos 10 Kelvin, o -440 grados Fahrenheit.

"En el momento en que necesite enfriamiento criogénico, no puedes tener un portátil, exprimidor compacto, "Dice Mavalvala." Eso puede ser espectacular, porque no puedes tener un exprimidor que viva en un refrigerador grande, y luego utilizarlo en un experimento o algún dispositivo que funcione en el campo ".

Dar un apretón a la luz

El equipo, dirigido por Aggarwal, buscó diseñar un sistema optomecánico con un espejo móvil hecho de materiales que absorben intrínsecamente muy poca energía térmica, para que no necesiten enfriar el sistema externamente. Finalmente diseñaron una muy pequeña, Espejo de 70 micrones de ancho de capas alternas de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio. Ambos materiales son cristales con una estructura atómica muy ordenada que evita que se escape el calor entrante.

"Los materiales muy desordenados pueden perder energía fácilmente porque hay muchos lugares en los que los electrones pueden golpear y chocar y generar movimiento térmico, "Dice Aggarwal." Cuanto más ordenado y puro es un material, cuantos menos lugares tenga para perder o disipar energía ".

El equipo suspendió este espejo multicapa con un pequeño, Voladizo de 55 micrones de largo. El espejo en voladizo y multicapa también se ha moldeado para absorber la mínima energía térmica. Tanto el espejo móvil como el voladizo fueron fabricados por Cole y sus colegas en Crystalline Mirror Solutions, y colocado en una cavidad con un espejo fijo.

Luego, el sistema se instaló en un experimento láser construido por el grupo de Corbitt en la Universidad Estatal de Louisiana, donde los investigadores hicieron las mediciones. Con el nuevo exprimidor, los investigadores pudieron caracterizar las fluctuaciones cuánticas en el número de fotones frente a su tiempo, mientras el láser rebotaba y se reflejaba en ambos espejos. Esta caracterización permitió al equipo identificar y, por lo tanto, reducir el ruido cuántico del láser en un 15 por ciento, produciendo una luz "exprimida" más precisa.

Aggarwal ha elaborado un plan para que los investigadores adopten el sistema a cualquier longitud de onda de luz láser entrante.

"A medida que los exprimidores optomecánicos se vuelven más prácticos, este es el trabajo que lo inició, "Dice Mavalvala." Demuestra que sabemos cómo hacer que la temperatura ambiente, exprimidores independientes de la longitud de onda. A medida que mejoramos el experimento y los materiales, haremos mejores exprimidores ".