Новый лазер обходит капризы квантовой физики

Специалисты из института гравитационной физики Макса Планка (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) и университета Лейбница (Leibniz Universität Hannover) построили лазер с самым низким в мире значением фотонного шума.

Что такое фотонный шум, легче всего представить на примере сильного дождя: пусть в среднем каждую минуту на землю падает практически одинаковое количество капель, но каждую десятую долю секунды по поверхности ударяет разное их число. То их 35, то 3, то 19 на квадратный метр и так далее.

В обычном луче света, падающем на поверхность, число фотонов также хаотически колеблется вокруг среднего значения. И даже в классическом лазере, производящем когерентное излучение, от фотонного шума никуда не убежать — он происходит из “статистической” природы излучения, из законов квантовой физики.

Обмануть физические законы, конечно, нельзя, но в ряде случаев их можно “перехитрить”: это доказали исследователи из двух упомянутых учреждений, создав лазер, в котором фотонный шум был уменьшен в 10 раз. Получился так называемый “сжатый” лазерный свет (squeezed laser light) со значительно более равномерным распределением фотонов по времени.

В основе нового прибора — кристалл с двойным преломлением. Его подсвечивали зелёным лазером, который влиял на электронное облако атомарной решётки, заставляя его колебаться с частотой этого “зелёного излучения”. Это была подготовка кристалла к приёму инфракрасного лазерного луча.

Такой луч, с длиной волны вдвое большей, чем у первого лазера, пройдя через кристалл, претерпевал удивительное превращение. Дело в том, что кристалл превращался в “склад инфракрасных фотонов”, часть которых оказывалась запасена “до поры до времени” (это очень похоже на давние опыты по “остановке” света). При этом кристалл сам выдавал “ИК-фотоны” обратно в луч, в мгновения, когда его интенсивность падала, и, напротив, забирал их из потока, когда их число было слишком велико.

Фактически кристалл автоматически заполнял “паузы” в потоке, делая инфракрасный луч куда более равномерным (похоже на работу стабилизатора напряжения, не так ли?).

Но зачем нужен луч, фотоны в котором следуют друг за другом с одинаковым промежутком? Такое излучение может пригодиться во множестве областей. Например, в квантовой криптографии. Любое вмешательство в такой подготовленный поток, передающий ключ, будет легко обнаружено, поскольку вызовет скачкообразный рост фотонного шума.

Но куда интереснее, что новый лазер призван существенно повысить чувствительность приёмников гравитационных волн. Один из авторов этого лазера, Роман Шнабель (Roman Schnabel) из института гравитационной физики, говорит: “Мы можем увеличить досягаемость гравитационных приёмников втрое, что позволит наблюдать, к примеру, слияние пары чёрных дыр на другом краю Вселенной”.

Шнабель и его коллеги приспосабливают сейчас новый лазер к германо-британскому гравитационному приёмнику GEO 600, одному из самых совершенных приборов такого рода.

Хотя до сих пор ни одна научная группа, “просматривающая” небо при помощи подобных установок, не обнаружила гравитационные волны, учёные надеются, что, среди прочих ухищрений, “сжатый свет” позволит им, наконец, поднять чувствительность гравитационных приёмников настолько, что удастся надёжно зафиксировать неуловимые пока сигналы Вселенной.

Дело в том, что в таких системах используются лучи света, бегающие между зеркалами. Точность измерения расстояния между последними столь высока (на многие порядки меньше диаметра атома), что возможное прохождение гравитационной волны легко потеряется просто на фоне фотонного шума в применённом лазерном луче.

Потому сокращение этого шума в 10 раз — большой прорыв на ниве гравитационной астрономии, стремящейся впервые разглядеть чёрные дыры, внутреннюю структуру нейтронных звёзд и многие другие интересные вещи.