@ 2017.10.13 , 11:00

物理学家突破了现有光子测量的技术瓶颈

光是打开物理学奥秘的一把钥匙。光学现象本身是包含丰富内容的研究领域,而依托前沿成果研制出的光学仪器又是重要的实验工具。

物理学家突破了现有光子测量的技术瓶颈
credit:123RF

如今科学家们在光学测量方面又一次打破了原有的技术瓶颈。在利用光子方面达到了现今理论上的极限精度值。

在第一次该类型实验中,物理学家突破了所谓的射击噪声限制——最大限度地提高了光学测量中可以从单个光子中获取的信息量。

很长一段时期以来,理论物理学家预测,利用量子态光子——其中个体光子相互纠缠——进行测量,可以比非量子态光测量带来更多优势。

澳大利亚格里菲斯大学的量子物理学家Geoff Pryde告诉ScienceAlert的记者,当光子纠缠在一起时,它们的属性是相互关联的或连接在一起的。

“这意味着测量中的随机误差更小,但事实证明,这些纠缠状态只有在纠缠光子具有高品质且不会‘失踪’的情况下才起作用。”

那是因为当单个光子在测量装置意外地被吸收或散射,或者根本没有被检测到时,随机性就会渗透进测量结果。

射击噪声限制了光子的利用率,以前一直阻碍着科学家在量子状态下用光子实现超敏感测量的理论极限,但是由于Pryde及其团队的最新研究,情况已然改变。

“这里新增的手段是,我们能够高效率地制造和测量高质量的光子(他们不会失踪),”Pryde解释说,“所以我们可以表明这种技术真能达到理论中理想结果。”

为了实现这一目标,该团队让激光通过非线性晶体,这种晶体的特性被精心设置,以提供高质量的纠缠态光子。

然后用光子检测样品——无论哪种测量对象都行,在研究中是石英晶体。

通过这样做,并用高效率检测器测量光子,该团队能够证明可以无条件地突破射频噪声的限制,这意味着高精度的光学测量中可以避免随机噪声。

“这表明,某些类型的测量利用特定量子态的光子真的比不使用量子物理时更好。”Pryde解释说。

“我们希望未来的扩展(将多于两个光子缠结在一起)可用于敏感样品的精密测量。”

对于这些样本可能是什么,科学家团队承认现在做出推测还有一点早。但是,今后这种方法有可能可以使科学家只需极少的光子就能对材料进行测量。

例如用有限数量的光子测量生物学样品,以免损坏样品的精细结构。

但是现在最大的成就,就是表明光子实际上可以在无损的情况下作为测量工具——实现几十年前理论承诺的最大化效益。

研究报告发表在Nature Photonics。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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