Distribueret sansning med høj præcision ved hjælp af et sammenfiltret kvantenetværk

Kvanteforbedret metrologi har været et aktivt forskningsområde i flere år nu på grund af dets mange mulige anvendelser, lige fra atomure til biologisk billeddannelse. Tidligere fysikforskning har fastslået, at det at have en ikke-klassisk sonde, såsom sammenklemt lys eller en sammenfiltret spin-tilstand, kan have betydelige fordele sammenlignet med klassiske sonder. Denne idé blev udforsket yderligere i flere nyere værker, hvoraf nogle også overvejede fordelene ved at undersøge flere forskellige prøver med ikke-klassiske prober.

Inspireret af disse undersøgelser, forskere ved Danmarks Tekniske Universitet og Københavns Universitet har for nylig gennemført et eksperiment, der undersøger fordelene ved at bruge et sammenfiltret kvantenetværk til at fornemme et gennemsnitligt faseskift blandt flere distribuerede noder. Deres papir, udgivet i Naturfysik , introducerer en række teknikker, der kan hjælpe med at indsamle mere præcise målinger på en række områder.

"Nylige undersøgelser viste, at det at have ikke-klassiske korrelationer mellem prober, der adresserer forskellige prøver, kunne føre til en gevinst sammenlignet med at have ikke-korrelerede prober, Johannes Borregaard, den forsker, der startede projektet, fortalte Phys.org. "Dette inspirerede os til at undersøge, om sådanne fordele kunne demonstreres allerede ved hjælp af den nuværende teknologi."

I deres undersøgelse, Borregaard og hans kolleger fokuserede på squeezed light og homodyne detektion, som nu er etablerede sanseteknikker. Det overordnede mål med eksperimentet var at måle en global egenskab for flere rumligt adskilte objekter og undersøge, om sondering af disse objekter samtidigt med indfiltret lys førte til mere præcise resultater end at sondere dem individuelt. Forskerne fandt ud af, at brugen af ​​et kvantenetværk til at sondere objekterne samtidig muliggjorde faseføling med langt højere præcision end det, man kunne opnå, når man undersøgte prober individuelt.

"I denne særlige demonstration, vi ønskede at estimere gennemsnittet af flere optiske faseskift, "Xueshi Guo, hovedforfatter til papiret, fortalte Phys.org. "Vi målte faseforskydningerne (som vi satte med bølgeplader til en kendt værdi) ved at sende en svag laserstråle igennem og detektere ændringen i lysets fasekvadratur med homodyndetektorer."

For at generere indviklet lys og distribuere det mellem forskellige steder, forskerne brugte en ret simpel metode. Først, de skabte en fase-klemt tilstand af lys, som er en standard ikke-klassisk kvantetilstand. Derefter opdelte de det i flere stråler ved hjælp af stråledelere.

Dette resulterede i lyssonder med reduceret støj i fasekvadraturen, men kun når alle sonder blev målt samtidigt. Dette er netop den egenskab, der kræves for at opnå et bedre signal-til-støj-forhold i estimeringen af ​​den gennemsnitlige fase uden at øge energien (dvs. antal fotoner) i probetilstandene.

"I eksperimentet havde vi fire faseprøver i alt, " Guo forklarede. "Den gevinst, der kan opnås ved at bruge entanglement, er så teoretisk begrænset til en faktor på 2. Men, efterhånden som antallet af prøver stiger, det samme gør den opnåelige gevinst."

Forskerne fandt ud af, at fordelen ved at bruge distribueret kvantesansning virkelig bliver væsentlig, når en egenskab ved mange objekter forbundet i et optisk netværk skal måles. For at opnå en stigning i præcision, imidlertid, tabene i netværket og detektorerne skal holdes lave, ellers forsvinder kvantefordelen.

"Nøgleresultatet af vores undersøgelse er den eksperimentelle demonstration af fordelene forbundet med at bruge multi-mode entanglement til distribueret sansning, " sagde Borregaard. "Tidligere teoretiske undersøgelser havde forudsagt sådanne fordele, men de betragtede ofte stærkt idealiserede scenarier og eksperimentelt meget udfordrende sondetilstande eller detektionsteknikker. Vores arbejde bekræfter, at sådanne fordele er tilgængelige selv med den nuværende støjende teknologi."

I fremtiden, teknikkerne demonstreret af Borregaard, Guo og deres kolleger kan have vigtige konsekvenser for en række forskellige områder inden for forskning og teknologiudvikling. For eksempel, de kunne bidrage til at øge følsomheden af ​​molekylære sporingsværktøjer, atomure, og optisk magnetometri teknikker.

Selvom kun yderligere undersøgelser vil afgøre, hvor meget hver af disse applikationer kan drage fordel af de metoder, som forskerne har introduceret, denne nylige undersøgelse giver værdifuld indsigt i, hvordan kvanteforbedret metrologi kan opnås ved hjælp af let tilgængelige teknologier, såsom generering af klemt lys og homodyndetektion. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at fortsætte med at undersøge brugen af ​​multi-mode klemt lys i andre sammenhænge, især til optiske kvanteberegningsapplikationer.

"I vores eksperiment, vi brugte faktisk ikke de optimale probetilstande og målemetoder tilladt af kvanteteorien, så det ville være spændende at demonstrere problemet med distribueret registrering med disse ressourcer, " Jonas S. Neergaard-Nielsen, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Desuden, det kunne være interessant at distribuere det sammenfiltrede lys til fjerntliggende steder i et installeret fibernet for at vise ordningens anvendelighed i den virkelige verden."

© 2020 Science X Network