Entangled-photon gyroskop overvinder klassisk grænse

Fiberoptiske gyroskoper, som måler rotation og orientering af fly og andre bevægelige objekter, er iboende begrænset i deres præcision, når de bruger almindeligt klassisk lys. I en ny undersøgelse, fysikere har eksperimentelt demonstreret for første gang, at brug af sammenfiltrede fotoner overvinder denne klassiske grænse, kaldte grænsen for skudstøj, og opnår et præcisionsniveau, der ikke ville være muligt med klassisk lys.

Fysikerne, ledet af Matthias Fink og Rupert Ursin ved det østrigske videnskabsakademi og Wien Center for Quantum Science and Technology, har udgivet et papir om sammenfiltringsforbedret fiberoptisk gyroskop i et nyligt nummer af New Journal of Physics .

"Vi har demonstreret, at generationen af ​​sammenfiltrede fotoner har nået et niveau af teknisk modenhed, der gør os i stand til at udføre målinger med sub-shot støjnøjagtighed i barske miljøer, " fortalte Fink Phys.org .

Fiberoptiske gyroskoper (FOG'er) ligner de velkendte roterende gyroskoper, der ofte sælges som legetøj, da begge typer gyroskoper måler et objekts rotation. Imidlertid, de to enheder fungerer ved hjælp af forskellige mekanismer:FOGs har ingen bevægelige dele, og i stedet foretage deres målinger ved hjælp af lys.

Mens roterende gyroskoper blev udviklet i det 19 ^th århundrede, FOG'er blev introduceret i slutningen af ​​1970'erne og er baseret på Sagnac-effekten, der først blev observeret af Georges Sagnac i 1913. Dengang, Sagnac håbede på at opdage ethermediet, gennem hvilket man tænkte, at lys forplantede sig, men i stedet blev hans eksperiment en af ​​de grundlæggende tests til støtte for relativitetsteorien.

Sagnac -effekten opstår, når to lysstråler bevæger sig rundt om en ring i forskellige retninger i et interferometer. Når interferometeret er i ro, begge bjælker tager lige lang tid at krydse ringen, men når interferometeret begynder at rotere, strålen, der bevæger sig rundt om ringen i rotationsretningen, vil tilbagelægge en længere afstand, og derfor tage mere tid, at nå detektoren end den anden stråle. Denne tidsforskel resulterer i en faseforskel mellem de to bjælker.

Den præcision, hvormed en FOG kan måle denne faseforskel, bestemmer præcisionen af ​​den samlede rotationsmåling. En FOGs præcision er begrænset af flere støjkilder, hvor den største bidragyder er skudstøj. Skudstøj opstår på grund af kvantisering af fotoner. Når de enkelte fotoner passerer gennem enheden, deres diskrete natur betyder, at strømmen ikke er helt glat, resulterer i hvid støj. Selvom skudstøjen kan reduceres ved at øge effekten (hastigheden af ​​fotoner, der passerer igennem), en højere effekt øger andre former for støj, resulterer i en afvejning.

For at overvinde støjgrænsen for skud, i den nye undersøgelse brugte fysikerne par af sammenfiltrede fotoner, der er i en superposition af de to tilstande, så begge sammenfiltrede fotoner effektivt bevæger sig gennem ringen i begge retninger. Indviklingen resulterer i en signifikant reduktion i fotonernes de Broglie -bølgelængde, hvilket igen fører til en præcision, der overstiger skudstøjgrænsen, og tilsvarende, overstiger den bedst mulige præcision ved hjælp af klassisk lys.

I sin nuværende tilstand, den nye FOG er endnu ikke konkurrencedygtig med kommercielle (klassiske) FOG -enheder på grund af dens lavere effekt, hvilket er en konsekvens af de anvendte detektorer. Forskerne forventer, at fremskridt inden for detektorteknologi og lysere fotonkilder vil gøre den sammenfiltrede foton FOG mulig at anvende i den nærmeste fremtid. Samlet set, de håber, at de nuværende resultater repræsenterer et vigtigt første skridt mod at nå de ultimative følsomhedsgrænser i fiberoptiske gyroskoper.

"Et interessant spørgsmål er, i hvilket omfang andre støjkilder udover skudstøjen kan reduceres eller kompenseres ved hjælp af optimerede fotoniske tilstande, " sagde Fink. "Svarene på sådanne spørgsmål kan eksperimentelt vurderes ved intensiteter, hvor sådanne effekter bliver betydelige."

© 2019 Science X Network