Оптические датчики начали приближаться к квантовому пределу — когда шум, возникающий во время измерений, мешает работе датчика.
Настольная система, способная реализовать настраиваемое квантовое зондирование.
Институт Нильса Бора
Исследователи из Института Нильса Бора (NBI) при Копенгагенском университете в Дании разработали настраиваемую систему, которая совершенствует квантовое зондирование, повышая точность и преодолевая ограничения, накладываемые традиционными оптическими сенсорными системами.
Разработка поможет усовершенствовать сенсорные технологии для биомедицинских и космических приложений.
Технология оптического зондирования широко используется и является частью нашей повседневной жизни. Оптические датчики используются повсюду: от камер видеонаблюдения, которые могут обнаруживать вторжения, до датчиков, которые помогают автомобилям управлять автономно, выполняя минимально инвазивные операции, до обнаружения объектов и контроля качества в крупномасштабной промышленной автоматизации.
По мере совершенствования технологий датчики стали умнее, но также и меньше и быстро начали достигать квантового предела, когда шум, возникающий во время измерений в самых малых масштабах, мешает работе датчика. Вот где вступают в дело квантовые технологии, чтобы устранить или уменьшить шум.
Запутанность, при которой квантовые частицы остаются связанными, а их состояния коррелируют независимо от расстояния между ними, является уникальным свойством квантовой физики. Исследователи из NBI использовали крупномасштабную запутанность для создания настраиваемой квантовой системы.
Как им это удалось?
Для разработки такой системы исследователи из NBI объединили многофотонное состояние света с большим атомным спиновым ансамблем, создав первую подобную систему в мире. Объединение этих двух технологий позволяет реализовать частотно-зависимое сжатие, что затем помогает снизить квантовый шум в широком диапазоне частот.
«Сжатие света» помогает уменьшить квантовый шум и может быть достигнуто путем уменьшения амплитуды или фазы света. Для того, чтобы сжатие света работало в широком диапазоне частот, амплитудный шум или уменьшение фазы также должны происходить на разных частотах.
Здесь помогает ансамбль атомных спинов, поскольку он может вращать фазу сжатого света в зависимости от собственной частоты. Кроме того, ансамбль может также переключать знак шума с отрицательного на положительный, что помогает уменьшить обратное действие и обнаружить шум датчика.
Шум обратного действия возникает, когда процесс измерения создает помехи в измеряемой системе, тогда как шум обнаружения — это неопределенность измерений, выполняемых датчиком.
Применение системы
Частотно-зависимое сжатие уже применялось в таких приложениях, как детекторы гравитационных волн, но для его работы требуются оптические резонаторы длиной более 900 футов (300 м). Исследовательская группа достигла аналогичной производительности в этой установке, используя настольное устройство.
«Датчик и спиновая система взаимодействуют с двумя запутанными лучами света», — пояснил Юджин Ползик, профессор NBI, принимавший участие в работе. «После взаимодействия два луча обнаруживаются, а обнаруженные сигналы объединяются. Результатом является широкополосное обнаружение сигнала за пределами стандартного квантового предела чувствительности».
Исследователи предполагают, что их настраиваемое квантовое сенсорное устройство может помочь обнаружить изменения во времени, ускорении и магнитных полях. В биомедицинских приложениях датчики могут помочь улучшить разрешение магнитно-резонансной томографии (МРТ) для раннего обнаружения неврологических расстройств, говорится в пресс-релизе.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
