计量技术的新颖实施将其扩大到新的高度

7/9/2021 2:21:08 PM

Daniel Inafuku for 18新利在线娱乐官网新利足球Illinois物理学

弱价扩增(WVA)是计量学中常用的技术(测量研究),该技术引起了最近对其在量子传感中的有希望的应用的关注。WVA首先由Aharonov,Albert和Vaidman在1988年描述,允许科学家通过干扰两个量子状态并观察到产生的干扰模式,从而精确地衡量一定数量的感兴趣的值(或这些值的变化)。该技术具有多种用途,从直接的空间测量(例如速度或角位移的空间测量)到更外来的空间测量,例如温度,化学浓度或磁场强度的变化。

WVA的一个很大的优点是,它可以用来最大程度地减少许多可能渗入科学实验的系统错误。不幸的是,在量子实验环境中存在一个明显的权衡:所需数量的扩增总是被检测到的事件数量的相应减少所抵消。在量子光学环境中,这种权衡表现为检测到的光子计数率的降低。在最近的一篇论文中,伊利诺伊大学Urbana-Champaign及其同事的物理学家通过修改常规WVA来包括一种新型的光子回收方案,通过实验克服了这种权衡,而无需牺牲光子计数率。

这项新研究的首席作者考特尼·克拉夫奇克(Courtney Krafczyk)博士说:“ WVA在化学,生物学,精确工程领域具有潜在的应用,这是基本上依赖于精确光学测量的任何领域。”克拉夫奇克(Krafczyk新利足球18新利在线娱乐官网保罗·克威亚特(Paul Kwiat)继续说:“我们想看看我们是否可以改善现有的方法,这些方法仅将一小部分的光子用作“特殊”来增强分辨率的方法。在我们的新计划中,原则上全部光子变得特别。”

这些结果是出版2021年6月21日,在物理评论信在“通过光子回收通过增强的弱价扩增的增强”。

新方案:光子的回收

WVA可以分为三个阶段。在第一阶段,预选前,制备了特定的量子叠加态。在第二阶段,弱相互作用将要用叠加状态的术语测量的效果伴随。在最后阶段,选择后,几乎所有预选量子状态中的所有光子都被过滤了,产生了一种干扰模式,可以放大弱扰动,但仅对于在第三阶段过滤中未丢弃的少数光子。这种过滤导致检测到的事件数量大大减少。结果是,传统WVA的放大益处已被减少的光子数量完全取消,并且如果以输入光子为限制资源,则没有净改进检测精度。

为了避免这一损失,研究人员采用了一种巧妙的计划来回收废弃的光子。

Kwiat解释说:“我们意识到,废弃的光子处于与他们开始的几乎相同的量子状态。因此,这些光子可以在多个WVA实现中重复使用(或回收),直到最终都没有损失 -确实被成功地召集并检测到。通过这种方式,即使在具有可忽略不计的系统错误的系统中,也可以避免使用WVA的通常限制,并且我们获得了真正的敏感性。”

实验设置的图。光子(粉红色)通过光纤电缆(黄色)进入,然后再通过偏光束弹奏器(紫色)。光子通过左侧的干涉量环指向,其中包含倾斜镜(绿色)。一小部分光子从出口端口(灰色正方形)中泄漏出来,其中WVA干扰会产生可测量的角位移。其余的光子被定向到右侧的回收环,在该回路环中,Pockels细胞(白色圆柱体)通过旋转极化将这些光子重新引入了干涉量环。
实验设置的图。光子(粉红色)通过光纤电缆(黄色)进入,然后再通过偏光束弹奏器(紫色)。光子通过左侧的干涉量环指向,其中包含倾斜镜(绿色)。一小部分光子从出口端口(灰色正方形)中泄漏出来,其中WVA干扰会产生可测量的角位移。其余的光子被定向到右侧的回收环,在该回路环中,Pockels细胞(白色圆柱体)通过旋转极化将这些光子重新引入了干涉量环。
为了说明这种扩增方案,伊利诺伊州实验者测量了光束的倾斜度。首先,对于预选,他们使用梁切开器在干涉仪中的两个反传播光束的叠加中准备一个光束(请参见上图的左侧)。其次,他们稍微倾斜了干涉仪中包含的镜子,以提供他们希望测量的光束挠度。最后,对于截面后,研究人员将反向传播的光束组合为单光束,并测量了其在干涉仪以外的点(图像上方的灰色正方形)之外的位置。

该实验的一个显着特征是,镜面倾斜非常小:降至100纳米亚人。该项目的贡献者杜鲁门州立大学教授迈克·戈金(Mike Goggin)解释说:“我们所测量的角度的比例与一公里外的人毛的宽度相似;并且比实验中使用的光束的角度小10,000倍!”

在测量点,仅检测到一小部分光子。其余光子使用辅助环将光子重定向回干涉仪再次回收。经过多次回收尝试(到27次)之后,WVA的光子比没有回收的光子高四倍。这种方法使研究人员能够使用常规的非重生WVA测量倾斜度的两倍。

展望:推动量子计量学的极限

研究人员指出,光子不可避免地会因不需要的散射和吸收而损失,从而限制了其性能。尽管如此,回收增强功能比以前的WVA方法取得了重大改进,并证明了这种修改的WVA技术在量子计量学方面的可行性。此外,研究人员估计,灵敏度增强因子可能会超过一个数量级,并进一步改进。

Kwiat总结说:“ WVA具有感兴趣的研究人员,因为即使在存在系统的噪声的情况下,它也具有量子极限的精确计量学的潜力。然而,由于仅测量了一小部分光子,因此标准的WVA未达到这个目标。原则证明实验表明,可以使用更多的光子,从而实现增强的灵敏度超过标准量子限制。随着实验设计的改进(更有效的回收),最终的灵敏度应相似地提高。”

该项目的主要理论家罗切斯特大学教授安德鲁·乔丹(Andrew Jordan。这可能包括更改干涉仪设计以测量极化倾斜,相移或多普勒偏移。”

约旦进一步指出,尽管团队使用光子和量子叠加的语言来描述WVA现象,但这种特殊的实现具有经典的模拟,这意味着应将其视为“量子启发”的测量技术。

约旦说:“从明亮的一面来看,这意味着它可以在更广泛的应用中应用,而无需量子光源或单光子探测器。”

克拉夫奇克(Krafczyk)得出结论:“这些实验结果为计量学领域的一系列可能性打开了大门。我们希望他们能刺激其他研究小组,以进一步改进该技术,并找到更多的应用。”

这项研究由美国陆军研究办公室和国家科学基金会资助。得出的结论是研究人员的结论,而不一定是资助机构的结论。