《欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)项目开发便携式单光子源以及新的量子测量范式》

  • 编译者: 李晓萌
  • 发布时间:2024-07-06
  • 创造单光子源的能力将大大推进目前正在开发的许多基于量子的技术,如量子计算、量子通信以及增强的成像和传感技术。然而,生产按需发射一个光子并具有可调节重复性的光源并不是一项简单的任务。

    欧洲计量研究计划(EMRP和EMPIR)内的项目支持应对这一挑战。

    EMRP量子技术单光子源项目(EXL02,SIQUTE)首次基于钻石中的氮价中心对单光子源进行了全面的计量表征。

    在此基础上,作为新量子标准的EMPIR项目单光子源(17FUN06,SIQUST)开发了一套新的金刚石单光子发射器,包括注入锡(Sn)、铅(Pb)、硅(Si)和锗(Ge)等离子的发射器。还研究了单光子量子点,包括有史以来第一个基于砷化铟镓(InGaAs)的量子点,用于校准单光子探测器。根据这项工作,该项目开发了两种便携式单光子源,除了用于校准外,还可以用于量子密钥分布测试床。

    一种新的量子防护测量方法

    除了第一个表征单光子源的标准化技术以及如何提供常见的不确定性估计程序外,该项目还首次实现了一种新的量子测量范式,该范式有可能在量子领域产生巨大影响。

    在量子水平上,光子可以以一种以上状态的“叠加”形式存在。测量光子会导致这种“相干性”崩溃为一种或另一种状态。换句话说,测量量子系统会影响系统的结果。结果是,有必要检测统计上显著数量的光子,以获得感兴趣的测量可观测值的忠实估计。

    新方法利用了一种称为量子齐诺效应的现象。这预测,如果一系列重复的测量足够快速和平滑,那么这将保持叠加,而不是使其崩溃。

    在新的量子“保护性测量”范式中,单个偏振光子被“制备”并通过一系列仪器发送,如双折射晶体和偏振板。光子与每个光子的相互作用较弱,经历了一个“相互作用-干涉-选择”过程。如果它存活下来,它就会作为一个新的“准备好的”相干光子出现。由于已知幸存光子的特性(例如偏振),这起到了间接可观察到的作用,在没有直接测量的情况下提供光子状态的信息,并且简单地利用其在x/y平面中的位置信息提供状态的“指针”。

    理论上,光子可以被发送通过无限多个这样的“选择”阶段,从而获得每个阶段的状态信息。

    这是保护性测量的首次实现,证明了其保持系统状态相干性的能力,同时从单光子测量事件中提取可观测值的期望值。

    尽管新范式仅处于原理验证阶段,但这项工作为其在量子计量和传感中的应用铺平了道路。

    此外,该项目发表了46篇开放获取文章,在121次会议上发表,并提供了9个培训课程。

    量子计量的单光子和纠缠光子源项目(20FUN05,SEQUEM)的工作仍在继续,该项目专注于单光子水平测量所需的协议和仪器。

    这些EURAMET项目的工作预计将加强欧洲在量子技术领域的地位,促进密码学、通信、天文学和健康等领域的新发展,并有助于改进国际单位制光坎德拉的实践。

    该EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。

    EMRP联合研究项目是EURAMET欧洲计量研究计划的一部分。EMRP由EURAMET内的EMRP参与国和欧盟共同资助。

相关报告
  • 《欧洲计量创新和研究计划(EMPIR)项目助力推出全球首款自给式便携露霜点校准仪》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2025-05-09
    • 高性能的光学方法将服务于湿度测量供应链。 在超纯工艺气体(如氩气、氮气和氢气)中,痕量水分是最大的基质污染物。它会影响使用这些气体的产品质量。尽管超纯气体的生产服务于许多关键技术领域,如高价值半导体制造和制药,但在本项目之前,痕量水分测量在相关范围和基质气体中仍然缺乏计量可追溯性。 最近完成的欧洲计量创新和研究计划(EMPIR)项目“超纯工艺气体中的痕量水分计量”(20IND06,PROMETH2O)致力于填补计量可追溯性方面的知识空白。该联盟开发了可追溯且改进的光学测量方法,用于测量超纯工艺气体生产中仅几亿分之一的痕量水分污染。 世界首款 该项目的研究使合作伙伴Qrometric能够以其霜点发生器达到前所未有的精度,验证温度低至-100°C的霜点,而此前没有任何商业便携式校准仪覆盖这一温度范围。该霜点发生器系统是世界上首款自给式便携露/霜点校准仪,可在现场提供测量可追溯性。 现在,用于湿度传感器和分析仪的现场校准仪器首次问世。该仪器的校准温度测量范围为-100 °C至0 °C,精度在0.5 °C至0.05 °C之间,能够在比大多数主校准标准更低的温度下进行测量。 这一进步将有助于提高痕量水分测量的准确性,支持欧洲战略部门(如微电子和能源气体)减少浪费,并为制药业提供更好的生产环境。 来自意大利国家计量研究院(INRIM)的项目协调员Vito Fernicola表示: “PROMETH2O项目成功解决了超纯气体中痕量水分污染计量可追溯性方面的关键问题。通过开发经过验证的方法并支持QROMETRIC公司推出低霜点发生器(LFPG),该项目实现了在-100°C霜点下对湿度传感器进行准确的现场校准,确保测量结果的可靠性和可追溯性。 这款世界首创的仪器代表了该领域的一项重大进展,因为它可以在痕量水分水平(十亿分之几)直接校准传感器和分析仪,极大地提升了工业校准系统的先进性。 改进后的准确性和可追溯性将提高微电子和制药等行业的质量控制水平,从而提高产品的可靠性。这一成就凸显了欧洲计量研究在支持行业需求方面,通过高精度测量解决方案所产生的影响。” 该EMPIR项目由欧盟的“地平线2020”研究与创新计划以及EMPIR参与国共同资助。
  • 《欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)项目利用双光子光束实现了最佳的光学分辨率》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-06-12
    • 500年来,光学分辨率一直受到物理条件的限制。现在,一个EMPIR项目将这一理论推向了终极量子极限。 高科技部门越来越多地在纳米尺度上工作。作为一种测量工具,光学系统具有速度快、非侵入性和可靠性等优点,可以发挥很大的作用。 传统的基于光学的测量系统通常不具备所需的空间分辨率或灵敏度,限制了该领域的创新。 尽管经典光学测量是多么复杂或精密,但目前的最大分辨率与所用光的波长(λ, λ)有关。对于基于空气的测量,这相当于光波长的一半左右(~ 1/2 λ)。提高分辨率和看到更小细节的一种方法是使用波长很短的光——比如紫外线。然而,短波长的光只有很小的穿透深度(~ 100nm),并且由于紫外线与氧气相互作用,需要真空条件。此外,传统测量的另一个基本限制是直接来自光源的随机噪声,这可能会影响样品特征的最终识别,如形状、对光的透射或厚度。 现在已经完成的项目光-物质相互作用用于光学计量超越经典空间分辨率极限(17FUN01,成为)已经使用基于量子的技术来提高超过?λ极限的空间分辨率和对样品特征的灵敏度。 项目的影响力 向量子极限的分辨率 成像的主要障碍是所谓的“散点噪声”,这是一种与光本身的量子涨落基本相关的随机噪声。如果撞击探测器的光子数量过低,那么信号就无法与随机或随机噪声区分开来——因此图像等数据就无法分辨。 该项目利用双光子束将这些测量推向了终极量子极限。一束用于探测物体,而另一束用于测量随机但相同的噪声。从信号路径中减去噪声路径可以实现亚粒子噪声分辨率——该项目已经做到了这一点,并将这些测量推向了使用双光子光束的极限——具有迄今为止实现的每个光子的最佳灵敏度。参与研究的Ruo-Berchera博士评论说:“这可以应用于光敏或光反应生物或材料样品的增强想象。”本文描述了双光束在量子极限处光损耗的无偏估计。这是该项目同行评议的47篇论文中令人印象深刻的一篇,其中包括一篇发表在《Nature Communications》期刊上的关于光子纠缠和时间旅行的论文,以及一篇关于光学活性钻石缺陷中用于量子增强成像等领域的新型单光子发射器的论文。 散射到弱区之外 物体散射电磁辐射(如光)的方式可以用来检索未知物体的形状或物理特性。对于散射较弱的小粒子,数学上的玻恩级数可用来检索其形状或物理性质。当颗粒变大或强烈分散时,这种方法就开始失效。这种形式的“逆问题”——从原因(粒子从物体散射)中计算出结果(图像)——通常也太复杂或计算成本太高。 正如发表在《Physical Review Research》期刊上的文章所描述的那样,该项目通过使用pad<s:1>近似值解决了这个问题。 这种方法可以作为Born系列应用程序的重要构建块。 超过半λ限制的分辨率(超分辨率) 对尖端增强光致发光(TEPL)技术进行了改进,使其能够用于高分辨率成像,表明TEPL所获得的空间分辨率可以比激发波长(~ 1/25 λ)小20倍以上。 在INRiM项目中,意大利国家计量研究所开发了融合经典和量子方法的可能性,可以进一步改进显微镜技术,并在生物成像中具有潜在的重要应用。INRiM的目标是在不久的将来提供一个原理证明。 最后,为了支持用户使用与项目中开发的时域有限差分(FDTD)计算相关联的开源软件,已经公开提供。 该软件代码是一个严谨而强大的纳米级光学器件建模工具,适用于亚波长光栅散射的建模,并与有限元方法(FEM)建模结果进行了比较。关于对比的注释可以在这里找到。 在be项目中进行的工作将帮助欧洲光电子工业以改进的方式表征材料,例如纳米产品,并帮助开发新的新兴市场机会,特别是通过使用功能纳米光学材料提供的新机会。 该EMPIR项目由欧盟“地平线2020”研究与创新计划和EMPIR参与国共同资助。