Kvantförstärkt metrologi har varit ett aktivt forskningsområde i flera år nu på grund av dess många möjliga tillämpningar, allt från atomur till biologisk avbildning. Tidigare fysikforskning har fastställt att att ha en icke-klassisk sond, såsom pressat ljus eller ett intrasslat centrifugeringsläge, kan ha betydande fördelar jämfört med klassiska sonder. Denna idé utforskades ytterligare i flera nya verk, varav några också övervägde fördelarna med att undersöka flera distinkta prover med icke-klassiska sonder.

Inspirerad av dessa studier, forskare vid Danmarks Tekniska Universitet och Köpenhamns universitet har nyligen genomfört ett experiment som undersöker fördelarna med att använda ett intrasslat kvantnätverk för att känna av en genomsnittlig fasförskjutning bland flera distribuerade noder. Deras papper, publicerad i Naturfysik , introducerar en rad tekniker som kan hjälpa till att samla in mer exakta mätningar på en mängd olika områden.

"Nya studier visade att att ha icke-klassiska korrelationer mellan sonder som adresserar olika prover kan leda till en vinst jämfört med att ha icke-korrelerade sonder, "Johannes Borregaard, forskaren som initierade projektet, berättade för Phys.org. "Detta inspirerade oss att undersöka om sådana fördelar kunde påvisas redan med dagens teknik."

I deras studie, Borregaard och hans kollegor fokuserade på squeezed light och homodyne-detektion, som nu är etablerade avkänningstekniker. Det övergripande målet med experimentet var att mäta en global egenskap hos flera rumsligt separerade objekt och undersöka om sondering av dessa objekt samtidigt med intrasslat ljus ledde till mer exakta resultat än att sondera dem individuellt. Forskarna fann att användningen av ett kvantnätverk för att sondera objekten samtidigt möjliggjorde fasavkänning med mycket högre precision än vad som kan uppnås när man undersöker sonderna individuellt.

"I denna speciella demonstration, vi ville uppskatta medelvärdet av flera optiska fasförskjutningar, "Xueshi Guo, huvudförfattare till tidningen, berättade för Phys.org. "Vi mätte fasförskjutningarna (som vi satte med vågplattor till ett känt värde) genom att skicka en svag laserstråle igenom och detektera förändringen i ljusets faskvadratur med homodyndetektorer."

För att generera intrasslat ljus och fördela det mellan olika platser, forskarna använde en ganska enkel metod. Först, de skapade ett fas-klämt tillstånd av ljus, vilket är ett standard icke-klassiskt kvanttillstånd. Sedan delade de upp det i flera strålar med hjälp av stråldelare.

Detta resulterade i ljussonder med minskat brus i faskvadraturen, men bara när alla prober mättes samtidigt. Detta är precis den egenskap som krävs för att uppnå ett bättre signal-brusförhållande vid uppskattningen av medelfasen utan att öka energin (d.v.s. antal fotoner) i sondtillstånden.

"I experimentet hade vi fyra fasprover totalt, " Guo förklarade. "Vastningen som kan uppnås genom att använda entanglement är då teoretiskt begränsad till en faktor 2. Emellertid, när antalet prover ökar, det gör också den uppnåelige vinsten. "

Forskarna fann att fördelen med att använda distribuerad kvantavkänning verkligen blir betydande när en egenskap hos många objekt som är anslutna i ett optiskt nätverk ska mätas. För att framgångsrikt uppnå en ökad precision, dock, förlusterna i nätverket och detektorerna måste hållas låga, annars försvinner kvantfördelen.

"Nyckelprestationen i vår studie är den experimentella demonstrationen av fördelarna med att använda multi-mode intrassling för distribuerad avkänning, "Sa Borregaard." Tidigare teoretiska studier hade förutsett sådana fördelar, men de ansåg ofta mycket idealiserade scenarier och experimentellt mycket utmanande sondtillstånd eller detektionstekniker. Vårt arbete befäster att sådana fördelar är tillgängliga även med nuvarande bullriga teknik."

I framtiden, de tekniker som demonstrerats av Borregaard, Guo och deras kollegor kan ha viktiga konsekvenser för ett antal olika områden inom forskning och teknikutveckling. Till exempel, de kan hjälpa till att öka känsligheten hos molekylära spårningsverktyg, atomur, och optisk magnetometriteknik.

Även om bara ytterligare undersökningar kommer att avgöra hur mycket var och en av dessa applikationer kan dra nytta av de metoder som forskarna introducerade, denna nyligen genomförda studie ger värdefull insikt i hur kvantförstärkt metrologi kan uppnås med hjälp av lättillgänglig teknik, såsom generering av klämt ljus och homodyndetektering. I deras framtida arbete, forskarna planerar att fortsätta undersöka användningen av multi-mode squeezed light i andra sammanhang, i synnerhet för optiska kvantberäkningstillämpningar.

"I vårt experiment, vi använde faktiskt inte de optimala sondtillstånden och mätmetoderna som kvantteorin tillåter, så det skulle vara spännande att visa problemet med distribuerad avkänning med dessa resurser, " Jonas S. Neergaard-Nielsen, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Vidare, Det kan vara intressant att distribuera det intrasslade ljuset till platser långt borta i ett installerat fibernätverk för att visa den verkliga tillämpningen av systemet."

© 2020 Science X Network