En metode til at udføre kanoniske fasemålinger ved hjælp af kvantefeedback

Lys er kendt for at have en række grundlæggende egenskaber, inklusive farve, lysstyrke, og retning, hvoraf de fleste er umiddelbart synlige og kan observeres med det blotte øje. Der er nu flere instrumenter til at opdage og måle disse egenskaber, såsom fotontællere, detektorer, der ofte bruges i forskning, der måler lysstyrke ved at tælle individuelle lyskvanter. Afgørende, nogle eksisterende enheder kan også måle disse egenskaber ved den såkaldte kvantegrænse, som er en grundlæggende barriere for præcisionen af ​​en måling.

En egenskab ved lys, der indtil videre har vist sig at være ret uhåndgribelig og svær at måle ved kvantegrænsen, er fasen af ​​en lysbølge. Forskere ved University of California Berkeley har for nylig implementeret et forslag introduceret for 25 år siden af ​​en af ​​deres samarbejdspartnere, der skitserede en mulig måde at udføre optimale målinger af denne egenskab på, også kendt som kanoniske fasemålinger. I et blad udgivet i Naturfysik , de anvender en pålidelig metode til implementering af kanoniske fasemålinger ved hjælp af kvantefeedback, som overgår alle tidligere foreslåede teknikker.

"Fase og magt adlyder en version af Heisenbergs usikkerhedsprincip, ligesom position og momentum, "Leig Martin, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Jo mere du ved om en, jo mindre du ved om den anden. En bizar egenskab ved en kanonisk fasemåling er, at den er fuldstændig uvidende om magt. I teorien, den kan ikke kende forskel på et blændende lys og fuldstændigt mørke, men det kan optimalt bestemme fasen af ​​det indkommende lysfelt."

Teknikken, som forskerne bruger, måler fasen af ​​en lysbølge ved kvantegrænsen ved ikke at måle lysbølgens kraft. At afstå fra at måle effekt, forskerne synkroniserede deres detektor med det indkommende elektriske felt fra en lysbølge, som svinger op og ned. Højden af ​​bølgen, hvor dette felt svinger, bestemmer i sidste ende styrken af ​​en lysstråle.

"Hvis du kun tænder for din detektor, når bølgen er mellem 'op' og 'ned, ' så er feltet på det tidspunkt nul uanset den samlede effekt, Martin forklarede. "Fangsten er, at du ikke kender det øjeblik, hvor det sker, medmindre du allerede kender fasen til at begynde med. Derfor, vi tilpasser løbende timingen af ​​vores detektor, efterhånden som signalet ankommer - i det væsentlige ændrer timingen under ankomsten af ​​en enkelt foton."

Forskerne evaluerede effektiviteten af ​​det nye system, de udtænkte, og fandt ud af, at det med succes kunne indsamle enkeltskudsmålinger på en en-fotonbølgepakke. I øvrigt, deres teknik oversteg den nuværende standard for heterodyne detektion.

"Til mig, dette projekt viser, hvor meget vi kan lære om og forbedre målinger ved hjælp af kvanteeffekter, " sagde Martin. "I denne undersøgelse specifikt, vi brugte et eksempel på et meget generelt fænomen, hvilket er, at hvis du ændrer dit målegrundlag under en kvantemåling, du kan måle en meget større klasse af observerbare, end hvad du startede med at kunne måle."

I fremtiden, den nye måleteknik kunne bruges til at udføre forskning, der involverer detektering og udnyttelse af lysbølgernes fase ved kvantegrænsen. I deres fremtidige arbejde, Martin og hans kolleger planlægger også at udforske alternative målemetoder, der udnytter de stærke ikke-lineariteter i superledende kredsløb, en klasse af højeffektive kredsløb med nul elektrisk modstand.

"Folk er meget begejstrede for kvanteinformationsplatforme som superledende kredsløb til kvanteberegning, men der er tonsvis af ting, der gør dem virkelig specielle til også at udføre målevidenskab, såsom stærke foton-ulineariteter og adaptive målinger, " sagde Martin. "Jeg håber at blive ved med at skubbe grænserne for kvantemåling både i superledende kredsløb og også i det system, som jeg arbejder med lige nu, nitrogen ledige centre i diamant."

© 2020 Science X Network