Vezel optische gyroscopen, die de rotatie en oriëntatie van vliegtuigen en andere bewegende objecten meten, zijn inherent beperkt in hun precisie bij het gebruik van gewoon klassiek licht. In een nieuwe studie, natuurkundigen hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat het gebruik van verstrengelde fotonen deze klassieke limiet overwint, de zogenaamde shot-noise limit, en bereikt een precisie die niet mogelijk zou zijn met klassiek licht.

de fysici, geleid door Matthias Fink en Rupert Ursin aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Wenen Centrum voor Quantum Wetenschap en Technologie, hebben een artikel gepubliceerd over de verstrengeling-versterkte glasvezelgyroscoop in een recent nummer van de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

"We hebben aangetoond dat het genereren van verstrengelde fotonen een niveau van technische volwassenheid heeft bereikt dat ons in staat stelt metingen uit te voeren met sub-shot ruisnauwkeurigheid in ruwe omgevingen, " Fink vertelde Phys.org .

Glasvezelgyroscopen (FOG's) zijn vergelijkbaar met de bekende draaiende gyroscopen die vaak als speelgoed worden verkocht, aangezien beide soorten gyroscopen de rotatie van een object meten. Echter, de twee apparaten werken met verschillende mechanismen:FOG's hebben geen bewegende delen, en in plaats daarvan maken ze hun metingen met behulp van licht.

Terwijl draaiende gyroscopen werden ontwikkeld in de 19 ^e eeuw, FOG's werden eind jaren 70 geïntroduceerd en zijn gebaseerd op het Sagnac-effect dat in 1913 voor het eerst werd waargenomen door Georges Sagnac. Sagnac hoopte het ethermedium te detecteren waardoor het licht zich zou voortplanten, maar in plaats daarvan werd zijn experiment een van de fundamentele tests ter ondersteuning van de relativiteitstheorie.

Het Sagnac-effect ontstaat wanneer twee lichtstralen in een interferometer in verschillende richtingen rond een ring gaan. Wanneer de interferometer in rust is, beide balken hebben evenveel tijd nodig om door de ring te gaan, maar wanneer de interferometer begint te draaien, de straal die in de richting van de rotatie rond de ring beweegt, zal een grotere afstand afleggen, en dus meer tijd nodig hebben, om de detector te bereiken dan de andere straal. Dit tijdsverschil resulteert in een faseverschil tussen de twee bundels.

De precisie waarmee een FOG dit faseverschil kan meten, bepaalt de nauwkeurigheid van de totale rotatiemeting. De precisie van een FOG wordt beperkt door verschillende geluidsbronnen, met als belangrijkste oorzaak schotgeluid. Door de kwantisering van de fotonen ontstaat schotruis. Terwijl de individuele fotonen door het apparaat gaan, hun discrete karakter betekent dat de stroom niet perfect glad is, resulterend in witte ruis. Hoewel de opnameruis kan worden verminderd door het vermogen te vergroten (de snelheid waarmee fotonen passeren), een hoger vermogen verhoogt andere soorten ruis, resulterend in een uitruil.

Om de limiet voor schotgeluid te overwinnen, in de nieuwe studie gebruikten de natuurkundigen paren verstrengelde fotonen die zich in een superpositie van de twee modi bevinden, zodat beide verstrengelde fotonen effectief in beide richtingen door de ring reizen. De verstrengeling resulteert in een significante vermindering van de de Broglie-golflengte van de fotonen, wat op zijn beurt leidt tot een precisie die de limiet voor schotgeluid overschrijdt, en gelijkwaardig, overtreft de best mogelijke precisie met klassiek licht.

In zijn huidige staat, de nieuwe FOG is nog niet concurrerend met commerciële (klassieke) FOG-apparaten vanwege het lagere vermogen, wat een gevolg is van de gebruikte detectoren. De onderzoekers verwachten dat vooruitgang in detectortechnologie en helderdere fotonbronnen de verstrengelde foton-FOG in de nabije toekomst haalbaar zullen maken voor toepassingen. Algemeen, ze hopen dat de huidige resultaten een belangrijke eerste stap vormen naar het bereiken van de ultieme gevoeligheidslimieten in glasvezelgyroscopen.

"Een interessante vraag is in hoeverre andere ruisbronnen naast de opnameruis kunnen worden verminderd of gecompenseerd door gebruik te maken van geoptimaliseerde fotonische toestanden, " zei Fink. "De antwoorden op dergelijke vragen kunnen experimenteel worden beoordeeld bij intensiteiten waarbij dergelijke effecten significant worden."

© 2019 Wetenschap X Netwerk