Quantum-enhanced metrologie is al enkele jaren een actief onderzoeksgebied vanwege de vele mogelijke toepassingen, variërend van atoomklokken tot biologische beeldvorming. Eerder natuurkundig onderzoek heeft uitgewezen dat het hebben van een niet-klassieke sonde, zoals geperst licht of een verwarde spintoestand, kan aanzienlijke voordelen hebben in vergelijking met klassieke sondes. Dit idee werd verder onderzocht in verschillende recente werken, waarvan sommige ook rekening hielden met de voordelen van het onderzoeken van meerdere verschillende monsters met niet-klassieke sondes.

Geïnspireerd door deze onderzoeken, onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken en de Universiteit van Kopenhagen hebben onlangs een experiment uitgevoerd om de voordelen te onderzoeken van het gebruik van een verstrengeld kwantumnetwerk om een ​​gemiddelde faseverschuiving tussen meerdere gedistribueerde knooppunten waar te nemen. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , introduceert een reeks technieken die kunnen helpen om nauwkeurigere metingen op verschillende gebieden te verzamelen.

"Recente onderzoeken hebben aangetoond dat het hebben van niet-klassieke correlaties tussen probes die verschillende monsters aanspreken, tot winst kan leiden in vergelijking met het hebben van niet-gecorreleerde probes, "Johannes Borregaard, de onderzoeker die het project heeft geïnitieerd, vertelde Phys.org. "Dit inspireerde ons om te onderzoeken of dergelijke voordelen al met de huidige technologie konden worden aangetoond."

In hun studie hebben Borregaard en zijn collega's concentreerden zich op detectie van geperst licht en homodyne, die nu gevestigde detectietechnieken zijn. Het algemene doel van het experiment was om een ​​globale eigenschap van meerdere ruimtelijk gescheiden objecten te meten en te onderzoeken of het gelijktijdig aftasten van deze objecten met verstrengeld licht tot nauwkeurigere resultaten leidde dan ze afzonderlijk te onderzoeken. De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van een kwantumnetwerk om de objecten tegelijkertijd te onderzoeken, fasedetectie mogelijk maakte met een veel hogere precisie dan mogelijk is bij het afzonderlijk onderzoeken van sondes.

"In deze specifieke demonstratie, we wilden het gemiddelde schatten van meerdere optische faseverschuivingen, "Xueshi Guo, hoofdauteur van het artikel, vertelde Phys.org. "We hebben de faseverschuivingen gemeten (die we met golfplaten op een bekende waarde hebben ingesteld) door een zwakke laserstraal door te sturen en de verandering in de fasekwadratuur van het licht te detecteren met homodyne-detectoren."

Om verstrengeld licht te genereren en te verdelen over verschillende locaties, de onderzoekers gebruikten een vrij eenvoudige methode. Eerst, ze creëerden een fase-geperste staat van licht, wat een standaard niet-klassieke kwantumtoestand is. Daarna verdeelden ze het in meerdere bundels met behulp van bundelsplitsers.

Dit resulteerde in lichtsondes met minder ruis in de fasekwadratuur, maar alleen wanneer alle sondes tegelijkertijd werden gemeten. Dit is precies de eigenschap die nodig is om een ​​betere signaal-ruisverhouding te bereiken bij de schatting van de gemiddelde fase zonder de energie te verhogen (d.w.z. aantal fotonen) in de sondetoestanden.

"In het experiment hadden we in totaal vier fasemonsters, Guo legt uit. "De winst die behaald kan worden door verstrengeling te gebruiken, is dan theoretisch beperkt tot een factor 2. naarmate het aantal monsters toeneemt, dat geldt ook voor de haalbare winst."

De onderzoekers ontdekten dat het voordeel van het gebruik van gedistribueerde kwantumdetectie echt significant wordt wanneer een eigenschap van veel objecten die in een optisch netwerk zijn verbonden, moet worden gemeten. Om met succes een verhoging van de precisie te bereiken, echter, de verliezen in het netwerk en detectoren moeten laag worden gehouden, anders verdwijnt het kwantumvoordeel.

"De belangrijkste prestatie van onze studie is de experimentele demonstratie van de voordelen die gepaard gaan met het gebruik van multi-mode verstrengeling voor gedistribueerde detectie, Borregaard zei. "Eerdere theoretische studies hadden dergelijke voordelen voorspeld, maar ze beschouwden vaak sterk geïdealiseerde scenario's en experimenteel zeer uitdagende probetoestanden of detectietechnieken. Ons werk bevestigt dat dergelijke voordelen zelfs met de huidige lawaaierige technologie toegankelijk zijn."

In de toekomst, de technieken gedemonstreerd door Borregaard, Guo en hun collega's kunnen belangrijke implicaties hebben voor een aantal verschillende gebieden van onderzoek en technologische ontwikkeling. Bijvoorbeeld, ze kunnen helpen om de gevoeligheid van moleculaire trackingtools te verbeteren, atoomklokken, en optische magnetometrietechnieken.

Hoewel alleen nader onderzoek zal uitwijzen hoeveel elk van deze toepassingen kan profiteren van de door de onderzoekers geïntroduceerde methoden, deze recente studie biedt waardevol inzicht in hoe kwantumverbeterde metrologie kan worden bereikt met behulp van direct beschikbare technologieën, zoals geperst licht generatie en homodyne detectie. In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan om het gebruik van multi-mode geperst licht in andere contexten te blijven onderzoeken, in het bijzonder voor optische kwantumcomputertoepassingen.

"Bij ons experiment we hebben niet echt de optimale sondetoestanden en meetmethoden gebruikt die door de kwantumtheorie zijn toegestaan, dus het zou spannend zijn om het gedistribueerde detectieprobleem met die bronnen aan te tonen, " Jonas S. Neergaard-Nielsen, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Verder, het zou interessant kunnen zijn om het verstrengelde licht naar verre locaties te verspreiden in een geïnstalleerd glasvezelnetwerk om de praktische toepasbaarheid van het schema te laten zien."

© 2020 Wetenschap X Netwerk