量子增强原子力显微镜:压缩光减少噪音

量子光从显微镜信号中挤出噪声

奥诺尔国家实验室的研究人员开发了一种原子力显微镜的量子或压缩光方法,可以测量被噪声掩盖的信号。资料来源:Raphael Pooser, orl,美国能源部

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员利用量子光学技术发展了最先进的显微镜技术,并阐明了一条探测材料特性的途径,其灵敏度超过了传统工具。

“我们展示了如何利用压缩光——量子信息科学的主力——作为显微镜的一种实用资源,”ORNL材料科学与技术部的Ben Lawrie说,他与ORNL计算科学与工程部门的Raphael Pooser领导了这项研究。“我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移,灵敏度优于标准量子极限。”

与今天的经典显微镜不同,普瑟和劳里的量子显微镜需要量子理论来描述它的灵敏度。欧诺尔显微镜中的非线性放大器产生一种特殊的量子光源,称为压缩光。

“想象一个模糊的图像,”普瑟说。“它很嘈杂,一些细节被隐藏了起来。经典的、嘈杂的光线会阻止你看到这些细节。“压缩”版本不那么模糊,揭示了我们之前看不到的细节,因为噪音。他补充说,“我们可以用压缩光源代替激光来减少传感器读出的噪音。”

原子力显微镜的微悬臂是一个微型跳板,它有系统地扫描样本,当它感觉到物理变化时就会弯曲。在实习学生尼克·萨维诺、艾玛·巴特森、杰夫·加西亚和雅各布·贝基的帮助下,劳瑞和普瑟展示了他们发明的量子显微镜可以测量微悬臂梁的位移,灵敏度比传统显微镜提高了50%。在一秒钟的测量中,量子增强的灵敏度为1.7飞米——大约是碳核直径的两倍。

“压缩光源已被用于提供量子增强灵敏度的检测引力波生成的黑洞合并,”普斯说。“我们的工作是帮助将这些量子传感器从宇宙尺度转化为纳米尺度。”

他们的量子显微镜方法依赖于对光波的控制。当波合并时,它们会产生建设性的干涉,也就是说,波峰的振幅会使产生的波更大。或者它们会产生破坏性的干扰,也就是说波谷振幅与波峰振幅相减,从而使产生的波变小。这种效果可以在池塘里的波或像激光一样的电磁波中看到。

劳瑞尔说:“干涉仪将两束光分开,然后混合,以测量当两束光重新组合时影响干涉的微小相位变化。”“我们使用了非线性干涉仪,它使用非线性光放大器来进行分裂和混合,以达到经典的难以达到的灵敏度。”

跨学科的研究,发表在物理评论快报,是非线性干涉术的首次实际应用。

量子力学的一个众所周知的方面,海森堡测不准原理,使得不可能以绝对的确定性定义粒子的位置和动量。对于光的振幅和相位也存在类似的不确定关系。

这一事实给依赖激光等经典光源的传感器带来了一个问题:它们所能达到的最高灵敏度将海森堡不确定性关系最小化,而每个变量的不确定性都相等。压缩后的光源减少了一个变量的不确定性,同时增加了另一个变量的不确定性,从而“压缩”了不确定性分布。由于这个原因,科学界已经使用压缩来研究大大小小的现象。

这种量子传感器的灵敏度通常受到光损耗的限制。“压缩态是脆弱的量子态,”普瑟说。“在这个实验中,我们能够利用纠缠的特性来解决这个问题。“纠缠意味着独立的物体像一个整体一样运动。爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行为”。“在这种情况下,光束的强度在量子水平上相互关联。

“由于纠缠,如果我们测量一束光的能量,我们就可以在不测量的情况下预测另一束光的能量,”他继续说。“因为纠缠,这些测量噪音更小,这为我们提供了更高的信噪比。”

ORNL的量子显微镜方法广泛适用于任何传统上使用激光读取信号的优化传感器。Lawrie说:“例如,传统的干涉仪可以被非线性干涉仪取代,以实现对生物化学传感、暗物质探测或材料磁性特性表征的量子增强灵敏度。”

参考文献:《量子增强原子力显微镜的截断非线性干涉术》作者:r.c。普瑟,萨维诺,E.巴特森,J. L。贝奇,J.加西亚和B. J。劳瑞,2020年6月12日,物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.230504

美国能源部科学办公室和ORNL实验室指导研究和发展计划支持这项研究。

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