量子光将噪声从显微镜信号中消除

2022-01-27 08:48:00汪彦若导读能源部橡树岭实验室的量光研究人员使用量子光学技术来发展最先进的显微镜技术，并为检测材料特性提供了比传统工具更灵敏的将噪镜信检测方法。ORNL材料

能源部橡树岭实验室的显微消除研究人员使用量子光学技术来发展最先进的显微镜技术，并为检测材料特性提供了比传统工具更灵敏的号中检测方法。

ORNL材料科学与技术部门的量光Ben Lawrie表示：“我们展示了如何使用压缩光(一种量子信息科学的重要工具)作为显微镜的实用资源。” ORNL材料科学与技术部门的将噪镜信Ben Lawrie领导了该研究。“我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的显微消除位移，其灵敏度优于标准量子极限。号中”

与当今的量光经典显微镜不同，Pooser和Lawrie的将噪镜信量子显微镜需要量子理论来描述其灵敏度。ORNL显微镜中的显微消除非线性放大器会产生一种特殊的量子光源，称为压缩光。号中

“想象一下模糊的量光图片，”普斯说。将噪镜信“这很吵，显微消除而且隐藏了一些细微的细节。经典的，嘈杂的灯光使您无法看到这些细节。'压缩'版本的模糊程度较低，并且可以揭示出由于噪音而无法看到的细微细节。” 他补充说：“我们可以使用压缩光源代替激光来减少传感器读数中的噪声。”

原子力显微镜的微悬臂梁是微型跳水板，可以有条不紊地扫描样品并在感知到物理变化时弯曲。与学生实习生尼克·萨维诺(Nick Savino)，艾玛·巴特森(Emma Batson)，杰夫·加西亚(Jeff Garcia)和雅各布·贝基(Jacob Beckey)，劳里和普瑟(Lawrie and Pooser)表明，他们发明的量子显微镜可以比传统方法更好地测量50%灵敏度的微悬臂梁的位移。对于一秒钟的长时间测量，量子增强的灵敏度为1.7飞米，大约是碳核直径的两倍。

Pooser说：“压缩光源已被用于提供量子增强的灵敏度，以检测由黑洞合并产生的引力波。” “我们的工作正在帮助将这些量子传感器从宇宙尺度转变为纳米尺度。”

他们的量子显微镜方法依赖于对光波的控制。当波合并时，它们会产生相长干涉，这意味着峰值的振幅相加会使结果波变大。否则它们会产生破坏性干扰，这意味着波谷振幅会从峰振幅中减去，从而使产生的波更小。可以在池塘中的波中或像激光一样的电磁波中看到这种效果。

劳里说：“干涉仪先分束，然后将两个光束混合在一起，以测量相位的细微变化，这些变化会影响两个光束的重组。” “我们采用了非线性干涉仪，它使用非线性光学放大器进行分离和混合，以达到传统上难以达到的灵敏度。”

在跨学科的研究，这是发表在物理评论快报，是非线性干涉的第一个实际应用。

量子力学的一个众所周知的方面，即海森堡不确定性原理，使得不可能绝对确定地定义粒子的位置和动量。对于光的振幅和相位存在类似的不确定性关系。

这个事实给依赖于经典光源(如激光器)的传感器带来了一个问题：它们可以实现的最高灵敏度将海森堡不确定性关系最小化，每个变量的不确定性均相等。压缩光源减少了一个变量的不确定性，而增加了另一个变量的不确定性，因此“压缩”了不确定性分布。出于这个原因，科学界已经使用挤压研究大大小小的现象。

这种量子传感器中的灵敏度通常受到光学损耗的限制。泊瑟说：“压缩态是脆弱的量子态。” “在这个实验中，我们能够通过利用纠缠特性来解决这个问题。” 纠缠是指行为独立的对象。爱因斯坦称其为“远距离的怪异动作”。在这种情况下，光束的强度在量子水平上彼此相关。

“因为纠缠，如果我们衡量一个束的功率，光，它将使我们能够预测另一种能力，而不必测量它，”他继续说。“由于纠缠，这些测量噪声较小，为我们提供了更高的信噪比。”

ORNL的量子显微镜方法与通常使用激光进行信号读取的任何优化传感器广泛相关。Lawrie说：“例如，传统的干涉仪可以用非线性干涉仪代替，以实现生物化学传感，暗物质检测或材料磁特性表征的量子增强灵敏度。”

该论文的标题是“用于量子增强原子力显微镜的截断非线性干涉法”。