Ljus är känt för att ha ett antal grundläggande egenskaper, inklusive färg, ljusstyrka, och riktning, de flesta är omedelbart uppenbara och kan observeras med blotta ögat. Det finns nu flera instrument för att upptäcka och mäta dessa egenskaper, som fotonräknare, detektorer som ofta används i forskning som mäter ljusstyrka genom att räkna individuella ljuskvanta. Avgörande, vissa befintliga enheter kan också mäta dessa egenskaper vid den så kallade kvantgränsen, vilket är en grundläggande barriär för precisionen i en mätning.

En egenskap hos ljus som hittills visat sig vara ganska svårfångad och svår att mäta vid kvantgränsen är fasen av en ljusvåg. Forskare vid University of California Berkeley har nyligen implementerat ett förslag som presenterades för 25 år sedan av en av deras medarbetare som beskrev ett möjligt sätt att utföra optimala mätningar av denna egenskap, även känd som kanoniska fasmätningar. I en tidning publicerad i Naturfysik , de tillämpar en tillförlitlig metod för att implementera kanoniska fasmätningar med hjälp av kvantåterkoppling, som överträffar alla tidigare föreslagna tekniker.

"Fas och makt följer en version av Heisenbergs osäkerhetsprincip, precis som position och momentum, "Leig Martin, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Ju mer du vet om en, ju mindre du vet om den andra. En bisarr egenskap hos en kanonisk fasmätning är att den är helt omedveten om makten. I teorin, det kan inte se skillnaden mellan ett bländande ljus och fullständigt mörker, men det kan optimalt bestämma fasen för det inkommande ljusfältet."

Tekniken som forskarna använder mäter fasen för en ljusvåg vid kvantgränsen genom att inte mäta ljusvågens kraft. Att avstå från att mäta kraft, forskarna synkroniserade sin detektor med det inkommande elektriska fältet från en ljusvåg, som svänger upp och ner. Höjden på vågen vid vilken detta fält oscillerar bestämmer i slutändan styrkan hos en ljusstråle.

"Om du bara slår på din detektor när vågen är mellan 'upp' och 'ner, ' då är fältet i det ögonblicket noll oavsett den totala effekten, Martin förklarade. "Fastigheten är att du inte vet när det händer om du inte redan vet fasen till att börja med. Därför, vi anpassar kontinuerligt tidpunkten för vår detektor när signalen anländer – och ändrar i huvudsak timingen under ankomsten av en enskild foton."

Forskarna utvärderade effektiviteten av det nya systemet de utvecklade och fann att det framgångsrikt kunde samla in engångsmätningar på ett enfotonvågspaket. Dessutom, deras teknik överskred den nuvarande standarden för heterodyndetektering.

"Till mig, detta projekt visar hur mycket vi kan lära oss om och förbättra mätningar med hjälp av kvanteffekter, " sa Martin. "I denna studie specifikt, vi använde ett exempel på ett mycket allmänt fenomen, vilket är att om du ändrar din mätgrund under en kvantmätning, du kan mäta en mycket större klass av observerbara än vad du började med att kunna mäta."

I framtiden, den nya mättekniken skulle kunna användas för att utföra forskning som innebär att detektera och utnyttja ljusvågornas fas vid kvantgränsen. I deras framtida arbete, Martin och hans kollegor planerar också att utforska alternativa mätmetoder som utnyttjar de starka icke-linjäriteterna i supraledande kretsar, en klass av högeffektiva kretsar med noll elektriskt motstånd.

"Människor är mycket entusiastiska över kvantinformationsplattformar som supraledande kretsar för kvantberäkning, men det finns massor av saker som gör dem riktigt speciella för att göra mätvetenskap också, såsom starka fotonolinjäriteter och adaptiva mätningar, " sa Martin. "Jag hoppas kunna fortsätta tänja på gränserna för kvantmätning både i supraledande kretsar och även i systemet som jag arbetar med just nu, vakanscentra för kväve i diamant."

© 2020 Science X Network