新型量子激光雷达实现高灵敏度风探测

Josiah02 · 发表于 2024-10-23 23:03:00

研究团队提出了基于上转换量子干涉的风传感激光雷达理论，并成功研制出原型机，相关成果发表在ACS Photonics杂志上。
激光雷达技术的主要目标是“看得更远更精细，测量更快更准确”。单光子激光雷达通过实现单光子探测，比传统激光雷达有了显著的改进。研究人员一直在探索如何在量子激光雷达中利用精确的量子测量原理。
洪-欧-曼德尔(HOM)干涉(又称双光子干涉)自1987年发现以来,在精确时间测量、量子态分析、量子信息处理等领域发挥着重要作用,其在量子激光雷达中的应用已成为研究的热点。
研究小组提出了一种利用 HOM 干涉和高阶量子擦除的理论，以展示来自不同光源的独立光子的量子干涉现象。HOM 干涉是一种量子光学现象，两个光子之间即使不共存也会发生干涉，表现出相关性。量子擦除是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复两个光子之间的量子纠缠。
基于此理论，该团队开发了一种采用上转换探测器的双光子干涉大气激光雷达系统，该系统具有单光子灵敏度高、量子效率高、探测带宽宽、多波长适用等特点。
结果表明，该量子激光雷达系统能够以MHz采样率记录带宽超过17 GHz（相当于13 km/s）的光信号，解决了超快目标连续探测中弱信号的高采样率和大数据存储难题。
而且在外场试验中，量子干涉激光雷达系统以70µJ的能量实现了水平距离16km的风场探测，探测灵敏度较现有激光雷达系统提高7倍，风场探测一致性R²=0.997。
成功的远距离风速传感展示了这种新型量子干涉激光雷达技术在弱信号测量方面的巨大潜力。它可以在不使用鉴频装置的情况下测量光频率，结合了直接检测和相干检测的优点。量子激光雷达系统已经实现了光纤集成和紧凑性，有望在未来应用于超高速移动目标的连续遥感。
该团队由中国科学院中国科学技术大学薛向晖教授领导。

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