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量子光排除噪声干扰

发布:WD114EVA阅读:625时间:2020-9-17 16:40:56

量子光排除噪声干扰

来自美国Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL)的研究人员利用量子光学技术推出了最先进的显微镜,并制定了一个检测材料性能的新途径。这个量子显微镜比传统显微镜更敏感。量子显微镜使用非线性放大器产生一种特殊的量子光源,称为压缩光。

来自ORNL Materials Science and Technology Division的 Ben Lawrie和ORNL Computational Sciences and Engineering Division的Raphael Pooser一起开展了这项研究。Ben Lawrie说:“我们展示了如何使用压缩光作为显微镜的主要组成部分。它是量子信息科学的主力。我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移,它的灵敏度优于标准的量子极限。” Pooser说,压缩光比经典噪声光能够揭露更多的细节,它可以用来代替激光来降低传感器读数时的噪声。


图1来自ORNL的研究人员开发了一种量子或者压缩光方法用于原子力显微镜,它能够测量被噪声淹没的信号。ORNL, U.S. Department of Energy, Raphael Pooser供图。

研究人员表明,他们的量子显微镜能够测量比经典显微镜敏感度高50%的微悬臂梁的位移。Lawrie说,系统中的悬臂横截面为450×50μm。对于一秒种时长的测量,量子增强灵敏度为1.7毫微微米,这大约是碳核直径的两倍。研究人员采用非线性干涉法来增加灵敏度和降低噪声。“传统的线性干涉仪通常依赖一对50/50的光分束棱镜,” Lawrie说。非线性干涉仪 ((NLIs) 用非线性放大器取代这些分束器,从而有效地制造了一个干涉仪。其中每个分束器都有一定的增益。

他说原型的非线性干涉仪使用一个相位不敏感的非线性放大器来产生信号和空闲信号,然后将它们在相位敏感非线性放大器中重新组合,以便读出信号或空闲信号相位的变化。Lawrie说:“在我们的实验中,我们只使用了一个非线性放大器,在铷- 85元素蒸汽室中的一个四光波混合源。这个混合源生成双模压缩态,其量子降噪能力低于光子散射噪声。然后我们使用双零差检测而不是相位敏感非线性放大器来读取相位的变化。这个变化是一个通道上双模压缩态的微悬臂梁引起的。”来自NIST的Paul Lett团队将这种方法称为"截断式非线性干涉测量",因为它提供了与传统非线性干涉仪类似的灵敏度扩展。

“压缩态是脆弱的量子状态,” Pooser说,"在这个实验中,我们能够利用量子纠缠的属性来避开这个问题。由于量子纠缠,如果我们测量一束光的功率,便可以预测另一束光的功率,而无需测量它。因为量子纠缠,这些测量的干扰比较小,这为我们提供了更高的信噪比。Lawrie说这项技术可应用于生化测试、暗物质检测或材料磁特性的表征等领域。这项研究成果发表在《Physical Review Letters》(www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.230504).

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