新型光纖器件為量子增強(qiáng)測量奠定了基礎(chǔ)

通過分析由兩束光的交叉形成的圖案，研究人員可以捕捉關(guān)于引力波等神秘現(xiàn)象行為的難以捉摸的細(xì)節(jié)。如果沒有稱為干涉儀的儀器，就無法創(chuàng)建和精確測量這些干涉圖案。

三十多年來，科學(xué)家一直試圖提高干涉儀的靈敏度，以更好地檢測構(gòu)成可見光和其他形式電磁能量的光子數(shù)量如何導(dǎo)致光相的變化。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的嘗試經(jīng)常受到光學(xué)損耗和噪聲的阻礙，這兩者都會降低干涉儀測量的精度。

但現(xiàn)在，能源部(DOE)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的一組研究人員開發(fā)并測試了一種新的干涉儀，以研究導(dǎo)致這些條件的因素，并且他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了克服它們的解決方案。他們的研究結(jié)果發(fā)表在“應(yīng)用物理快報”雜志上，該雜志將他們的論文提升為編輯選擇狀態(tài)。編輯們將這一區(qū)別授予在獨(dú)家清單中編制的值得注意的出版物。

大多數(shù)干涉儀包含分束器或參量放大器，以將一束光分成兩束，這使研究人員能夠測量光相位相對于彼此的變化。然而，Joseph Lukens，Raphael Pooser和Nick Peters的ORNL團(tuán)隊(duì)采用了這些設(shè)備的專用版本，稱為高度非線性光纖相位敏感放大器，將其創(chuàng)建分類為非線性干涉儀(NLI)。

“干涉測量的概念涉及將光分為兩種模式 - 一種感知相變，另一種保持不變作為參考，”在ORNL領(lǐng)導(dǎo)量子通信團(tuán)隊(duì)的高級研發(fā)人員彼得斯說。“我們希望建立量子力學(xué)所允許的最敏感的儀器。”

根據(jù)彼得斯的說法，這個NLI證明了儀器后期迭代中最終量子增強(qiáng)靈敏度改進(jìn)的潛力，這可以推進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)，并改善各種工程和實(shí)際應(yīng)用?？梢詮母_的干涉儀中受益的設(shè)備包括可以幫助穩(wěn)定和導(dǎo)航飛機(jī)和船舶的陀螺儀，以及將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的傳感器。例如，水下探測聲波的水聽器 - 麥克風(fēng)將自然災(zāi)害和海洋野生動物的聲波轉(zhuǎn)換成研究人員可以成功解釋的電信號。

盡管NLI具有有益的品質(zhì)，但它們通常與用于這些應(yīng)用的傳感器中使用的光纖不兼容。該團(tuán)隊(duì)希望通過用稱為高度非線性光纖的兼容材料構(gòu)建NLI來彌補(bǔ)這一差距。

“我們工作的真正意義在于，這種干涉儀是第一種采用這種特殊光纖制造的，這有兩個重要原因，”彼得斯說。“一個是它提供了潛力

對于一個顯著的靈敏度增強(qiáng)，另一個是這種纖維是商業(yè)的，這意味著它的使用可能會變得普遍，一旦完善。“

由于標(biāo)準(zhǔn)量子限制限制了量子尺度下測量的精度，因此確定如何增加干涉儀的靈敏度可能是困難的。超出此障礙的是Heisenberg無法通過的限制，它標(biāo)志著任何干涉儀的最佳性能水平。

雖然迄今為止沒有人達(dá)到這個限制，但ORNL團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的NLI是他們不斷追求盡可能接近極限的重要墊腳石。與此同時，由Pooser領(lǐng)導(dǎo)的ORNL量子信息科學(xué)小組和量子傳感小組的工作人員經(jīng)常建造超越量子經(jīng)典邊界的量子傳感器。他們認(rèn)為這項(xiàng)工作是一項(xiàng)重大成就，也表明新的NLI也可以超越這一邊界。

“標(biāo)準(zhǔn)量子極限由可用光子的數(shù)量來定義，”彼得斯說。“使用一種特殊的光場有助于降低干涉儀測量時的噪聲量，從而提高靈敏度，并有助于測量距離海森堡極限更近。”

在深入檢查干涉圖案的交替明暗光帶(稱為明暗條紋)后，研究人員通過比較輸出噪聲與散粒噪聲(即光子數(shù)量)來發(fā)現(xiàn)暗條紋處噪聲消除的存在。撞擊物體。

“我們在這個暗邊緣處有一個有利的噪聲擴(kuò)展，這將有助于我們在射擊噪聲限制下檢測數(shù)據(jù)，如果我們能夠通過我們的NLI顯示靈敏度優(yōu)勢，我們想要做的事情，”彼得斯說過。

由于該NLI同時具有相敏光學(xué)增益和相關(guān)噪聲消除功能，因此該儀器為未來生產(chǎn)用于高靈敏度干涉儀的更先進(jìn)放大器提供了有用的指導(dǎo)。

目前，研究人員正計(jì)劃使用改進(jìn)的儀器進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其結(jié)論并更好地了解NLI的確切參數(shù)，希望能夠復(fù)制當(dāng)前設(shè)備的功能，同時最大限度地減少損耗和噪聲。Peters表示，與傳統(tǒng)干涉儀相比，使用實(shí)用非線性光纖構(gòu)建的NLI具有顯著的靈敏度優(yōu)勢時，它們將實(shí)現(xiàn)其最終目標(biāo)。

“這些實(shí)驗(yàn)表明這些儀器的相位靈敏度得到了改善，我們所做的就是采取一些措施來達(dá)到海森堡極限，”彼得斯說。