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新型光纤器件为量子增强测量奠定了基础

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【新型光纤器件为量子增强测量奠定了基础】通过分析由两束光的交叉形成的图案，研究人员可以捕捉关于引力波等神秘现象行为的难以捉摸的细节 。如果没有称为干涉仪的仪器，就无法创建和精确测量这些干涉图案 。
三十多年来，科学家一直试图提高干涉仪的灵敏度，以更好地检测构成可见光和其他形式电磁能量的光子数量如何导致光相的变化 。实现这一目标的尝试经常受到光学损耗和噪声的阻碍，这两者都会降低干涉仪测量的精度 。
但现在，能源部(DOE)橡树岭实验室(ORNL)的一组研究人员开发并测试了一种新的干涉仪，以研究导致这些条件的因素，并且他们已经设计出了克服它们的解决方案 。他们的研究结果发表在“应用物理快报”杂志上，该杂志将他们的论文提升为编辑选择状态 。编辑们将这一区别授予在独家清单中编制的值得注意的出版物 。
大多数干涉仪包含分束器或参量放大器，以将一束光分成两束，这使研究人员能够测量光相位相对于彼此的变化 。然而，Joseph Lukens，Raphael Pooser和Nick Peters的ORNL团队采用了这些设备的专用版本，称为高度非线性光纤相位敏感放大器，将其创建分类为非线性干涉仪(NLI) 。
“干涉测量的概念涉及将光分为两种模式 - 一种感知相变，另一种保持不变作为参考，”在ORNL领导量子通信团队的高级研发人员彼得斯说 。“我们希望建立量子力学所允许的最敏感的仪器 。”
根据彼得斯的说法，这个NLI证明了仪器后期迭代中最终量子增强灵敏度改进的潜力，这可以推进基础科学，并改善各种工程和实际应用 。可以从更精确的干涉仪中受益的设备包括可以帮助稳定和导航飞机和船舶的陀螺仪，以及将能量从一种形式转换为另一种形式的传感器 。例如，水下探测声波的水听器 - 麦克风将自然灾害和海洋野生动物的声波转换成研究人员可以成功解释的电信号 。
尽管NLI具有有益的品质，但它们通常与用于这些应用的传感器中使用的光纤不兼容 。该团队希望通过用称为高度非线性光纤的兼容材料构建NLI来弥补这一差距 。
“我们工作的真正意义在于，这种干涉仪是第一种采用这种特殊光纤制造的，这有两个重要原因，”彼得斯说 。“一个是它提供了潜力
对于一个显着的灵敏度增强，另一个是这种纤维是商业的，这意味着它的使用可能会变得普遍，一旦完善 。“
由于标准量子限制限制了量子尺度下测量的精度，因此确定如何增加干涉仪的灵敏度可能是困难的 。超出此障碍的是Heisenberg无法通过的限制，它标志着任何干涉仪的最佳性能水平 。
虽然迄今为止没有人达到这个限制，但ORNL团队认为他们的NLI是他们不断追求尽可能接近极限的重要垫脚石 。与此同时，由Pooser领导的ORNL量子信息科学小组和量子传感小组的工作人员经常建造超越量子经典边界的量子传感器 。他们认为这项工作是一项重大成就，也表明新的NLI也可以超越这一边界 。
“标准量子极限由可用光子的数量来定义，”彼得斯说 。“使用一种特殊的光场有助于降低干涉仪测量时的噪声量，从而提高灵敏度，并有助于测量距离海森堡极限更近 。”
在深入检查干涉图案的交替明暗光带(称为明暗条纹)后，研究人员通过比较输出噪声与散粒噪声(即光子数量)来发现暗条纹处噪声消除的存在 。撞击物体 。
“我们在这个暗边缘处有一个有利的噪声扩展，这将有助于我们在射击噪声限制下检测数据，如果我们能够通过我们的NLI显示灵敏度优势，我们想要做的事情，”彼得斯说过 。
由于该NLI同时具有相敏光学增益和相关噪声消除功能，因此该仪器为未来生产用于高灵敏度干涉仪的更先进放大器提供了有用的指导 。
目前，研究人员正计划使用改进的仪器进行额外的实验，以验证其结论并更好地了解NLI的确切参数，希望能够复制当前设备的功能，同时最大限度地减少损耗和噪声 。Peters表示，与传统干涉仪相比，使用实用非线性光纤构建的NLI具有显着的灵敏度优势时，它们将实现其最终目标 。
“这些实验表明这些仪器的相位灵敏度得到了改善，我们所做的就是采取一些措施来达到海森堡极限，”彼得斯说 。

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