新型量子传感器利用纠缠突破光学测量极限

Josiah

　　韩国标准与科学研究院 (KRISS) 开发了一种新型量子传感器技术，利用量子纠缠现象，可以用可见光测量红外区域的扰动。这将实现低成本、高性能的红外光学测量，而此前这种测量在提供高质量结果方面存在局限性。
　　该项研究成果发表在《量子科学与技术》杂志上。
　　当一对光子（光粒子的最小单位）通过量子纠缠连接在一起时，无论它们之间的距离有多远，它们都会共享一个相关的量子态。最近开发的未探测光子量子传感器是一种远程传感器，它利用两个光源来重现这种量子纠缠。
　　未探测光子（闲置光子）是指到达测量目标后反弹的光子。未探测光子传感器不直接测量该光子，而是测量通过量子纠缠连接在一起的一对光子中的另一个光子，以获取有关目标的信息。
　　基于未探测光子的量子传感是一项新兴技术，近十年才得以实现。由于该技术仍处于早期阶段，全球研究界仍在积极参与开发竞赛。KRISS 开发的未探测光子量子传感器与之前的研究有所不同，其核心光度测量设备是光电探测器和干涉仪。
　　研究人员利用复合干涉仪实验装置的泵浦激光器进行光学对准。图片来源：韩国标准与科学研究院 (KRISS)
　　光电探测器是一种将光转换为电信号输出的装置。现有的高性能光电探测器的应用范围主要局限于可见光带宽。虽然红外区域的波长可用于许多领域的各种应用测量，但当时要么没有可用的探测器，要么只有性能较差的探测器。
　　这项最新的 KRISS 研究允许使用可见光探测器测量红外波段的光状态，从而实现高效测量，而无需昂贵且耗电的设备。它可以用于广泛的应用，包括三维结构的无损测量、生物测定和气体成分分析。
　　精密光学测量中的另一个关键要素是干涉仪，干涉仪是一种通过整合通过不同路径传播的多条光线来获取信号的装置。传统的未探测光子量子传感器主要使用简单的迈克尔逊干涉仪，这种干涉仪采用简单的光路，限制了可测量目标的数量。
　　KRISS 开发的传感器采用混合干涉仪，可根据目标物体灵活改变光路，大大提高了可扩展性。因此，该传感器适合适应各种环境要求，因为它可以根据被测物体的大小或形状进行修改。
　　KRISS 的量子光学小组对决定量子传感器关键性能指标的因素进行了理论分析，并通过使用混合干涉仪实证证明了其有效性。
　　研究团队将红外波段的光反射到待测三维样品上，测量可见光波段的纠缠光子，从而获得样品图像，包括其深度和宽度。该团队已成功从可见光范围内的测量中重建三维红外图像。
　　KRISS 量子光学组组长 Park Hee Su 表示：“这是一个突破性的例子，它利用量子光学原理克服了传统光学传感的局限性。”他补充说，KRISS“将继续进行后续研究，通过缩短测量时间和提高传感器分辨率，实现该技术的实际应用。”