Experimentelle Einschränkungen wie optischer Verlust und Rauschen haben verhindert, dass verschränkungsverstärkte Messungen einen signifikanten Quantenvorteil in der Empfindlichkeit zeigen konnten. In einer Studie hat die Forschungsgruppe Optik und Photonik at CU Boulder und ihre Partner prognostizieren und demonstrieren bedeutende Fortschritte in der faserbasierten, quantenverstärkten Fernerkundung und Untersuchung lichtempfindlicher Materialien.
Die Gruppe modellierte den internen Verlust, das externe Phasenrauschen und die Ineffizienz von a Mach-Zehnder-Interferometer. Sie nutzten eine praktische Faserquelle, die aus dem Zweimoden-Druckvakuum Holland-Burnett-verschränkte Zustände erzeugte. Dies zeigte die potenziellen Vorteile einer quantenbasierten Strategie zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei gleichzeitiger erheblicher Reduzierung interner Verluste und Phasenrauschens.
Das Team entdeckte, dass eine Zwei-Moden-Vakuumquelle im Vergleich zu vergleichbaren verschränkten Quellen etwa 25-mal so viel emittiert Photonen. Sie gingen davon aus, dass die Phasenempfindlichkeit um bis zu 28 % über den Schrotrauschgrenzwert ansteigen könnte.
Greg Krueger, ein Doktorand der Forschungsgruppe Optik und Photonik und Erstautor des Artikels, sagte: "In diesem Moment, Quantenphysik nicht nur zum Lernen und Durcharbeiten, sondern zum Nutzen und Entwickeln zu unserem Vorteil. Lektüre der Literatur zum Thema Verschränkung- Die verbesserte Sensorik offenbarte eine erhebliche Lücke zwischen der Beobachtung der Physik im Labor und der Nutzung dieser Beobachtungen in einem praktischen Sensor. Wir wollten herausfinden, was nötig wäre, um einen solchen Sensor zu entwickeln, und wie schwierig das sein würde.“
Die neue Arbeit war insofern einzigartig, als sie die Auswirkungen von Phasenrauschen und optischen Verlusten in einem einzigen Modell kombinierte, obwohl ihre Auswirkungen auf klassische und Quantenversionen des Sensors zuvor analysiert worden waren.
Krueger sagte: „Unsere Ergebnisse verdeutlichen einige subtile Punkte bei der Herstellung eines praktischen Sensors mithilfe der allgemeinen Technik der Interferometrie verschränkter Photonen. Wir machten auch auf die offene und weitgehend unerforschte Idee aufmerksam, diese Sensormethoden mit optischen Fasersensoren zu nutzen, was den Anwendungsbereich der Technik erheblich erweitern würde.“
Der stellvertretende Forschungsprofessor Lior Cohen sagte: "Quantenmechanik„Kontraintuitive Ergebnisse haben mich inspiriert.“ Um diese Arbeit fortzusetzen, planen wir die Entwicklung quantenverstärkter Ferntemperatursensoren in Fasern.“
Das CU Boulder College of Engineering and Applied Science engagiert sich im Rahmen seiner Quantum Engineering Initiative für die Quantenforschung, die darauf abzielt, Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet aufzubauen und zu erweitern – insbesondere in Quantensensorik, was eine einzigartige Stärke der Hochschule darstellt – und gleichzeitig die Beziehungen zu lokalen und regionalen Partnern aufbaut und stärkt. Die Quantum Engineering Initiative hat kürzlich einen neuen interdisziplinären Laborraum eröffnet, der diesem Vorhaben gewidmet ist.
Journal Referenz:
- Gregory Krueger, Charles Yu, Stephen B. Libby, Robert Mellors, Lior Cohen und Juliet T. Gopinath, „Realistisches Modell der durch Verschränkung verstärkten Erfassung in optischen Fasern“, Opt. ausdrücken 30, 8652–8666 (2022). DOI: 10.1364/OE.451058
