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PRL：新型量子传感方案突破纳米测量极限

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发布时间：2024-05-07
 
朴茨茅斯大学的研究人员近期宣布了一项令人振奋的量子传感方案，该方案在测量两个干涉光子之间的横向位移方面达到了前所未有的量子灵敏度。
 
这一技术的突破为超分辨率成像技术带来了新的可能性。目前，这些技术通常采用单光子源作为探针，用于在生物样本中进行定位和跟踪，例如利用量子点的单分子定位显微镜。
 
传统上，纳米技术中实现超高精度一直受到标准成像方法的限制，例如照相机和高倍率物镜的衍射极限。然而，这项新的量子传感方案规避了这些障碍，为实现前所未有的高精度水平铺平了道路。
 
这项创新的核心是一种干涉测量技术，它不仅能够实现无与伦比的空间精度，而且无论位移的光子波包之间是否重叠，都能保持其有效性。即使在处理非空间自由度不同的光子时，这种技术的精度也只会略微降低，这标志着量子增强空间灵敏度的重大进步。
 
量子科学与技术中心主任Vincenzo Tamma教授
 
这项研究是由朴茨茅斯大学量子科学与技术中心的Vincenzo Tamma博士领导的科学家团队进行的。
 
Tamma博士解释说：“我们的技术利用了量子干涉的原理，当两个单光子撞击到分光镜的两个面上时，在分光镜输出通道测量时是无法区分的。如果一个光子在撞击分光镜之前，由于穿过样品或被样品反射，相对于另一个光子在时间上发生了延迟，那么通过探测分光镜输出端的光子量子干涉，就可以实时获得这种延迟的值，从而获得样品的结构。”
 
“我们的研究表明，通过对两个光子的频率进行采样测量来解决这种双光子干涉问题，可以达到测量时间延迟的最佳精度。事实上，这可以确保两个光子在探测器上完全无法区分，无论它们在输出端检测到的采样频率的任何值上的延迟如何。”
 
研究小组建议使用双光子干涉仪来测量两个光子在分光镜处的干涉。然后，他们引入了一种基于频率分辨采样测量的技术，以自然所允许的最佳精度估算两个光子之间的时间延迟，并且灵敏度随着光子时间带宽的减小而增加。
 
实验装置
 
对高斯光子波包和最大似然估计的数值模拟
 
Tamma教授解释说：“这些结果为双光子空间干涉的计量能力提供了新的启示，可以为新的高精度传感技术铺平道路。”
 
“这项研究的其他潜在应用还包括开发用于高精度折射测量和天体定位的量子传感技术，以及高精度多参数传感方案，包括三维量子定位方法。”
 
总之，这项突破性研究的应用意义重大。它有可能显著改善纳米结构（包括生物样本）和纳米材料表面的成像。此外，它还能在光网络中实现基于频率分辨玻色采样的量子增强估算。
 
这项研究于4月30日发表在《物理评论快报》上。
 
参考链接：
[1]https://phys.org/news/2024-05-quantum-scheme-high-precision-nanoscopic.html
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1043540
[3]https://www.port.ac.uk/news-events-and-blogs/blogs/future-and-emerging-technolgies-scientists-demonstrate-unprecedented-sensitivity-in-measuring-time-delay-between-two-photons

[4]https://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=10238

 

 

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