Физик: сжатый свет поможет LIGO перешагнуть квантовый предел. Физики обошли стандартный квантовый предел Отрывок, характеризующий Стандартный квантовый предел

Исследователи смогли повысить чувствительность гравитационной антенны, обойдя одно из накладываемых квантовой механикой ограничений. Фундаментальные законы физики при этом нарушены не были, ученые использовали свет в так называемом сжатом состоянии. Подробности приводятся в статье Nature Photonics .

Физики смогли преодолеть ограничение, известное как стандартный квантовый предел, при определении положения зеркал внутри детектора гравитационных волн LIGO . Эта установка, построенная в США, представляет собой два перпендикулярных тоннеля длиной около четырех километров. В каждом из них проложена труба, из которой откачан воздух, и по которой проходит лазерный луч. Лучи лазеров отражаются от расположенных в концах тоннелей зеркал, а затем снова сходятся вместе. За счет явления интерференции лучи либо усиливают, либо ослабляют друг друга, а величина эффекта зависит от пройденного лучами пути. Теоретически, такой прибор (интерферометр) должен зафиксировать изменение расстояний между зеркалами при проходе через установку гравитационной волны, но на практике точность интерферометра пока что слишком мала.

Работа LIGO с 2002 по 2010 год позволила физикам и инженерам выяснить то, каким образом можно существенно улучшить установку. Сейчас ее перестраивают с учетом новых предложений, поэтому международная группа ученых (включающая сотрудников физфака МГУ и Института прикладной физики в Нижнем Новгороде) провела эксперимент по повышению чувствительности одного из детекторов LIGO выше одного из квантовых барьеров и представила его результаты.

Ученым удалось преодолеть ограничение, известное как стандартный квантовый предел. Оно являлось следствием другого запрета (который при этом нарушен не был), связанного с принципом неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности гласит, что при одновременном измерении двух величин произведение ошибок их измерений не может быть меньше определенной константы. Примером таких одновременных измерений является определение координаты и импульса зеркала при помощи отраженного фотона.

Принцип неопределенности Гейзенберга указывает на то, что с ростом точности определения координаты резко падает точность определения скорости. При облучении зеркала множеством фотонов погрешности в измерении скорости приводят к тому, что становится сложнее определить его смещение и, как следствие, положение в пространстве (толку от множества точных измерений, которые противоречат друг другу, немного). Для обхода этого ограничения еще около четверти века назад было предложено использовать так называемые сжатые состояния света (их, в свою очередь, получили в 1985 году), однако реализовать идею на практике удалось только недавно.

Сжатое состояние света характеризуется тем, что разброс (дисперсия) одного из параметров между фотонами сведен к минимуму. Большинство источников света, включая лазеры, такое излучение создать не способны, однако при помощи специальных кристаллов физики научились получать свет в сжатом состоянии. Луч лазера, проходящий через кристалл с нелинейными оптическими свойствами, подвергается спонтанному параметрическому рассеянию: некоторые фотоны превращаются из одного кванта в пару запутанных (квантово коррелированных) частиц. Этот процесс играет важную роль в квантовых вычислениях и передаче данных по квантовым линиям, но физики смогли приспособить его для получения «сжатого света», позволяющего повысить точность измерений.

Ученые продемонстрировали, что использование квантово коррелированных фотонов позволяет уменьшить ошибку измерений до величины, которая выше предсказанного соотношением неопределенностей Гейзенберга уровня (так как это фундаментальный барьер), но меньше стандартного квантового предела, обусловленного взаимодействием множества индивидуальных фотонов. Упростив суть работы, можно сказать, что запутанные частицы из-за связей между собой ведут себя более согласованно, чем независимые фотоны и потому позволяют точнее определить положение зеркала.

Исследователи подчеркивают, что внесенные ими изменения существенно подняли чувствительность детектора гравитационных волн в частотном диапазоне от 50 до 300 герц, который особенно интересен астрофизикам. Именно в этом диапазоне должны, согласно теории, излучаться волны при слиянии массивных объектов: нейтронных звезд или черных дыр. Поиск гравитационных волн является одной из важнейших задач современной физики, однако пока что зарегистрировать их не удается из-за слишком низкой чувствительности существующей аппаратуры.

Одной из основных характеристик приемника оптического излучения является его чувствительность, т. е. минимальное значение обнаруживаемой (детектируемой) мощности оптического сигнала, при которой обеспечиваются заданные значения отношения сигнал/шум или вероятности ошибки.

Определим минимальную детектируемую мощность (МДМ) оптического сигнала, соответствующую минимальному порогу чувствительности фотоприемника при отсутствии шумов и искажений, т. е. в условиях идеального приема.

Символу «1» соответствует передача импульса оптического изучения длительностью τ , энергия которого на входе приемника равна Е в ,символу «0» - нулевое значение оптической энергии. При облучении фотодетектора потоком оптической энергии Е в генерируются электронно-дырочные пары - носители заряда. Это независимый случайный процесс, для которого среднее число возникающих пар носителей заряда определяется по формуле

Число возникающих пар носителей заряда определяется пуассоновским распределением вероятности, т. е.

. (20.7)

Положим, что даже при генерации только одной пары носителей возможна регистрация импульса оптического излучения, т. е. прием «1». При таком допущении вероятность появления ошибки означает вероятность появления единственной пары носителей заряда. Вероятность такого события можно определить по формуле (20.7), положив п =0. Тогда

……………………..(20.8)

Если положить, что р ош =р (0)=10 -9 , то получим N =21. Это означает, что принятая в оптическом импульсе энергия должна быть равна энергии 21 фотона, т. е. для обеспечения вероятности ошибки не хуже 10 -9 из (20.6) - (20.8) следует, что .

Это и есть минимально допустимая чувствительность приемника для идеального приема, и требование генерации 21 фотона на каждый принятый импульс при р ош =10 -9 является фундаментальным пределом, который присущ любому физически реализуемому фотоприемнику и называется квантовым пределом детектирования.

Ему соответствует минимальная средняя мощность оптического сигнала длительностью τ =1/В , где В - скорость передачи информации,

которая называется минимальной детектируемой мощностью .

Из (20.3) с учетом (20.9) следует, что МДМ оптического сигнала

(20.10)

Неравенство (20.10) определяет при всех прочих равных условиях минимальный порог чувствительности или МДМ фотоприемного устройства.

Помимо квантового предела детектирования есть и другие факторы: тепловые, темновые и дробовые шумы, межсимвольные помехи, ограничивающие МДМ. Принципиальное отличие этих факторов состоит в том, что путем усложнения аппаратуры, применения соответствующих методов передачи и приема их влияние можно минимизировать.

Контрольные вопросы

1. Помехи, влияющие на оптический сигнал.

2. ОЛТ и факторы, влияющие на его структуру.

3. Цифровой ретранслятор (схема и принцип работы).

4. Цифровой регенератор (схема и принцип работы).

5. Функции цифровых ретрансляторов и их классификация.

6. Типы ретрансляторов аналоговых ОЛТ.

7. Ретрансляторы АОЛТ первого типа.

8. Ретрансляторы АОЛТ второго и третьего типа.

9. Основные источники шумов ПОМ с ЛД

10. Основные источники шумов ПОМ с СИД

11. Методы уменьшения шумов в ПОМ с ЛД

12. Источники шумов ОЛТ

13. Расчет вероятности ошибки регенератора, защищенности

14. Минимальная детектируемая мощность, квантовый предел детектирования фотоприемного устройства

Падающий на фотодиод стационарный световой поток генерирует пары носителей заряда как независимые случайные события. Такой процесс преобразования фотонов называется пуассоновским. Если за отрезок времени на фотодиод упадет оптическая энергия, равная в среднем то следует ожидать что будет создано пар носителей заряда, причем

Здесь, как и ранее, квантовая эффективность взаимодействия, энергия фотона. Вследствие статистической природы взаимодействия фотонов с фотопроводником истинное число пар носителей заряда, генерируемых каждым оптическим импульсом, будет изменяться вокруг среднего значения, Вероятность того, что число созданных пар носителей заряда равно к, определяется пуассоновским распределением вероятности

В этом случае среднеквадратическое отклонение от среднего значения (дисперсия) будет также равно

В идеальной системе связи это изменение числа генерируемых пар носителей заряда - единственный источник шума. Кроме того, в такой системе оптическая энергия принимается, а носители заряда генерируются только тогда, когда передается 1. Если приемник достаточно чувствителен, чтобы обнаружить единственную электронно-дырочную пару, созданную светом, то порог может быть установлен на этом уровне. И нет никакой ошибки при передаче 0, поскольку не принимается никакая энергия и не генерируется никакой сигнал. Только когда упавшая на фотоприемник оптическая энергия, соответствующая 1, вообще не генерирует какие-либо носители заряда, тогда вместо ожидаемого числа N записывается ошибка. Напомним, что 0 и 1 передаются с одинаковой вероятностью {см. (15.1.3)].

Воспользовавшись распределением Пуассона, находим

Для получения необходимо потребовать следовательно,

В таком случае минимальная средняя мощность на входе фотоприемника

Найденная величина характеризует абсолютный квантовый предел детектируемости. При получаем Сравнение этих цифр с упоминавшимися ранее значениями, полученными на практике, показывает, что шум усилителя в практических системах связи приводит к ухудшению их чувствительности, так что требуемый уровень принимаемой мощности оказывается почти и а два порядка выше этого квантового предела. Вероятно, белее удобно выразить полученный результат в виде средней принимаемой энергии, приходящейся на один передаваемый бит. Если а 0 и 1 равновероятны, в соответствии с квантовым пределом детектирования на один бит в среднем приходится 10 принимаемых фотонов.

Осторожно, ниже квантовая механика!

СКП (или SQL, Standard Quantum Limit) - это понятие из квантовой механики. Так называют ограничение в точности измерений, которые проводятся многократно или длительно. Хорошим примером, к тому же подходящим к нашему случаю, является измерение расстояния до некоторой массы с максимально возможной точностью. Для измерения используется луч лазера. Зная длину волны лазера, начальную фазу волны и замерив фазу возвращенного луча, мы можем вычислить точное пройденное им расстояние. К сожалению, давление луча на тело вызовет в нем возмущения на квантовом уровне (квантовые дробовые флуктуации). Чем точнее требуется измерить координату, тем мощнее нужен лазерный луч, и тем больше будут эти самые флуктуации. Такой квантовый шум и создает погрешность измерения.

Фактически СКП является следствием фундаментального запрета квантовой физики - принципа неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности гласит, что при одновременном измерении двух величин произведение погрешностей не может быть меньше определенной константы. Грубо говоря, чем точнее мы измерим скорость квантовой частицы, тем менее точно можем определить ее положение. И наоборот. Важно отметить, что ограничения на точность измерений, накладываемые СКП, суровее ограничений принципа неопределенности Гейзенберга. Обойти последние в принципе невозможно без разрушения основ всей квантовой механики.

Способ обойти ограничение стандартного квантового предела предложили в американском детекторе гравитационных волн LIGO. Поиск гравитационных волн является одной из важнейших задач современной физики, однако пока что зарегистрировать их не удается из-за слишком низкой чувствительности существующей аппаратуры. Установка LIGO устроена очень просто. Она состоит из двух тоннелей с вакуумом, сходящихся под прямым углом. По трубам проходят лазерные лучи, а в их дальних их концах установлены зеркала (см. рис.). Именно расстояние до этих зеркал и измеряется лазером, как было описано выше. Особое значение имеет пересечение возвращающихся от зеркал лазерных лучей. Между ними возникает интерференция. За счет этого явления лучи либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Величина интерференции зависит от фазы лучей, а значит и от пройденного лучами пути. Теоретически такой прибор должен зафиксировать изменение расстояний между зеркалами при проходе через установку гравитационной волны, но на практике точность интерферометра пока что слишком мала.

Для обхода СКП еще около четверти века назад было предложено использовать так называемые сжатые состояния света . Их получили в 1985 году, однако реализовать идею на практике удалось лишь недавно. Большинство источников света, включая лазеры, такое излучение создать не способны, однако при помощи специальных кристаллов физики научились получать свет в сжатом состоянии. Луч лазера, проходящий через такой кристалл, подвергается спонтанному параметрическому рассеянию. Другими словами, некоторые фотоны превращаются из одного кванта в пару запутанных частиц.

Ученые продемонстрировали, что использование квантово коррелированных фотонов позволяет уменьшить ошибку измерений до величины, которая меньше стандартного квантового предела. К сожалению, без специальных знаний очень сложно понять (и, тем более, объяснить), как именно это происходит, но поведение запутанных фотонов как раз снижает тот самый квантовый дробовый шум, о котором говорилось вначале.

Исследователи подчеркивают, что внесенные ими изменения существенно подняли чувствительность детектора гравитационных волн в частотном диапазоне от 50 до 300 герц, который особенно интересен астрофизикам. Именно в этом диапазоне должны, согласно теории, излучаться волны при слиянии массивных объектов: нейтронных звезд или черных дыр.

Предлагаем вам посмотреть и изучить цикл научно-популярных видео под названием за квантовый предел. Данные видео уроки помогут вам узнать как группа независимых исследователей решила более детально ознакомиться с докладом исконная физика Аллатра. А также проверить всю имеющую у них информацию.

Дело в том, что современная наука на сегодняшний день уже обладает значительным объемом исследовательских данных относительно природы окружающего нас мира. Например, открыты новые элементарные частицы и химические элементы; выявлено проявление дискретности поглощения и излучения энергии. Благодаря результатам современной науки мы и имеем возможность проверить информацию из доклада более детально.

Но вместе с тем, благодаря усовершенствованным методам исследования выявляется все большее количество необъяснимых феноменов и неожиданных результатов, обнаруживаются факты и аномалии, которые не вписываются в рамки общепринятых моделей, теорий и гипотез.

В докладе АллатРа приведены ответы на неразрешенные вопросы физики. А имеется ли вообще таковы на сегодняшний день в современной науке. Давайте посмотрим, но вообще интересно разобраться в сути приведенной информации.

Элементарные частицы и золотое сечение

Ребята хорошо постарались, и очень доступно рассказали про золотое сечение в квантовой физике. Квантовая физика интересный раздел науки. Интересно рассказано строение элементарных частиц и частички По. А также занимательно описан нейтрон, электрон,протон и фотон. Информация действительно интересная, учитывая тот факт, что это всего лишь одна из теорий-гипотез.

Удивительный бета распад и захват электрона

На сегодняшний день существует ряд научных теорий о строении и взаимодействии элементарных частиц. В данном выпуске программы «Заквантовый предел» рассматривается еще одна альтернативная теория-гипотеза о природе элементарных частиц, а также проверяются две формулы ядерных реакций, а именно бета-распада и захвата электрона.

Анализ формул распада и взаимодействия элементарных частиц

Золотое сечение и спиралевидные треки элементарных частиц