近日，来自美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）和俄克拉荷马大学的科学家们利用光的量子态的独特特性，实现了并行量子增强传感。
美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员在使用量子力学来增强传感设备方面取得了重大进展，这一新进展可以广泛应用于多个领域，包括材料特性分析、改进成像技术以及生物和医疗应用。
量子力学是我们理解具有粒子和波特征的极小物体的方式。它在增强传感设备中的应用旨在实现更精确的测量结果，这些测量结果在其他情况下是无法获得的。量子传感被用于各种具有挑战性的环境和应用中，包括检测水下管道中的泄漏、探测生物样本、增强医疗设备以及探测整个宇宙中的暗物质。
橡树岭国家实验室和俄克拉荷马大学的科学家们利用光的量子态的独特特性来实现并行量子增强传感。本实验中使用的光束处于塌缩状态，其噪声比经典光或人眼可见的电磁波长的光要少。这些结果为高度并行空间分辨的量子增强传感技术以及复杂的量子传感和量子成像平台打开了大门。这项研究建立在之前使用量子光进行量子增强等离子体传感的工作基础之上，这些工作揭示了量子态光束可以显著增强等离子体传感器的性能。
为了更好地利用光的量子特性进行传感，研究人员在实验中使用了明亮的双光束来探测一个四传感器象限等离子体阵列，该传感系统由四个以象限布局排列的独立传感器组成。基于他们之前在等离子体传感方面的工作，他们的发现表明，可以独立和同时测量所有四个传感器的折射率局部变化，并获得量子增强效果。这允许同时探测传感器，而不是连续或按顺序探测传感器，而暗物质探测或成像应用等研究来说是必须的。这项研究使得所有四个传感器的灵敏度在量子增强方面比相应的经典配置提高了22%到24%。
“通常，研究人员会找出时间上的关联性，并利用低于经典极限的噪声水平，即压缩操作，来增强测量精度并获得量子优势，”ORNL研究员Alberto Marino说。“在这种情况下，我们所做的是将时间和空间相关性结合起来，同时使用多个传感器进行探测，并同时为所有传感器获得量子增强效果。”
Marino担任着ORNL 量子传感和计算小组的负责人，并在俄克拉荷马大学担任联合教职，他补充说，这项研究的目标是在保持量子优势的前提下从系统中提取到更多信息。实验室在实践中将涉及的一个领域是探测暗物质，科学家们认为暗物质是遍布宇宙的未被计算在内的物质。这种类型的物质不与光相互作用，但会受到引力影响，因此探测暗物质需要大型传感器阵列，它与标准物质有很弱的相互作用。
“我们现在有一个项目，正在进行暗物质探测，这将需要一系列传感器，”Marino 说。“我们在并行量子传感方面的研究成果将在那里发挥重要作用，因为这是同时探测多个传感器的第一步，并将使我们能够超越目前使用单一光机械传感器的工作。”
在暗物质探测方面，ORNL 团队目前正在利用光的量子态来提高基于微机电系统（MEMS） 的光机械传感器的灵敏度。这种量子态的光被用于测量 MEMS 由于预期与暗物质相互作用而施加在 MEMS 上的加速度。展望未来，研究人员将对光源进行优化，以包含尽可能多的独立量子相关区域或相干区域。然后，每一个相干区域都将被用于探测阵列中的传感器。
“例如，并行量子增强传感和等离子体传感器的结合可以通过让阵列中的每个传感器检测不同的物质成份，来提高对血液中多种病原体的检测，”Marino 说。
UT-Battelle为DOE科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。美国能源部科学办公室正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。想了解更多信息，请访问 energy.gov/science。— Mark Alewine
这项研究的结果已发表在《ACS Photonics》光子学杂志上。
