Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено из Quantum Sensing )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Область квантового зондирования занимается разработкой и разработкой квантовых источников (например, запутанных) и квантовых измерений, которые могут превзойти любую классическую стратегию в ряде технологических приложений. Это можно сделать с помощью фотонных систем [1] или твердотельных систем. [2]

Квантовое зондирование использует свойства квантовой механики, такие как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантовых состояний, которые позволили оптимизировать точность и превзойти ограничения тока в сенсорной технологии и избежать принципа неопределенности Гейзенберга . [3]

Фотонное квантовое зондирование использует запутанность , одиночные фотоны и сжатые состояния для выполнения чрезвычайно точных измерений. Оптическое зондирование использует непрерывные переменные квантовые системы, такие как различные степени свободы электромагнитного поля, колебательные моды твердых тел и конденсаты Бозе-Эйнштейна . [4] Эти квантовые системы можно исследовать, чтобы охарактеризовать неизвестное преобразование между двумя квантовыми состояниями. Существует несколько методов улучшения фотонных датчиков, таких как квантовое освещение целей, которое использовалось для улучшения обнаружения слабых сигналов с помощью квантовой корреляции. [5] [6] [7] [8]

В фотонике и квантовой оптике квантовые датчики часто строятся на системах с непрерывным изменением, т. Е. На квантовых системах, характеризующихся непрерывными степенями свободы, такими как квадратуры положения и импульса. Основной рабочий механизм обычно основан на оптических состояниях света, часто включающих квантово-механические свойства, такие как сжатие или двухмодовое сцепление. [1] Эти состояния чувствительны к физическим преобразованиям, обнаруживаемым интерферометрическими измерениями. [4]

Квантовое зондирование также можно использовать в нефотонных областях, таких как спиновые кубиты , захваченные ионы и потоковые кубиты . [2] Эти системы можно сравнить по физическим характеристикам, на которые они реагируют, например, захваченные ионы реагируют на электрические поля, а спиновые системы реагируют на магнитные поля. [2] Захваченные ионы полезны в виде квантованных уровней движения, которые сильно связаны с электрическим полем. Они были предложены для изучения шума электрического поля над поверхностями [9], а в последнее время и датчиков вращения. [10]

В физике твердого тела квантовый датчик - это квантовое устройство, которое реагирует на стимул. Обычно это относится к датчику, который имеет квантованные уровни энергии , использует квантовую когерентность для измерения физической величины или использует запутанность для улучшения измерений по сравнению с тем, что можно сделать с помощью классических датчиков. [2] Для твердотельных квантовых датчиков существует 4 критерия: [2]

  1. Система должна иметь дискретные разрешаемые уровни энергии.
  2. Вы можете инициализировать датчик и выполнить считывание (включить и получить ответ).
  3. Вы можете связно управлять датчиком.
  4. Датчик взаимодействует с физической величиной и имеет некоторую реакцию на эту величину.

Текущие исследования и приложения [ править ]

Квантовые датчики находят применение в самых разных областях, включая микроскопию, системы позиционирования, коммуникационные технологии, датчики электрического и магнитного поля, а также в геофизических областях исследований, таких как разведка полезных ископаемых и сейсмология . [2] Многие измерительные устройства используют квантовые свойства для зондирования измерений, таких как атомные часы , сверхпроводящие устройства квантовой интерференции и спектроскопия ядерного магнитного резонанса . [2] [11] Благодаря новым технологическим достижениям отдельные квантовые системы могут использоваться в качестве измерительных устройств, используя запутанность , суперпозицию , интерференцию исжатие, чтобы повысить чувствительность и превзойти классические стратегии.

Хорошим примером раннего квантового датчика является лавинный фотодиод (ADP). ADP использовались для обнаружения запутанных фотонов. Благодаря дополнительному охлаждению и усовершенствованию сенсора можно использовать фотоумножители (ФЭУ) в таких областях, как медицинская визуализация. ЛФД в виде 2-х или даже 3-х мерных наборов массивов могут использоваться как прямая замена обычных датчиков на основе кремниевых диодов. [12]

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) начал программу исследований в оптических квантовых датчиках , которая стремится использовать идеи квантовой метрологии и квантовую визуализации , такие как квантовая литографию и состояние ПОЛДНЯ , [13] для того , чтобы достичь этих целей с оптическим датчиком такие системы, как лидар . [14] [15] [16]

Что касается фотонных систем, текущие области исследований включают обратную связь и адаптивные протоколы. Это активная область исследований в области дискриминации и оценки бозонных потерь. [17]

Введение сжатого света в интерферометры позволяет повысить чувствительность к слабым сигналам, которые невозможно обнаружить классическим способом. [3] Практическое применение квантового зондирования реализовано в зондировании гравитационных волн. [18] Детекторы гравитационных волн , такие как LIGO , используют сжатый свет для измерения сигналов ниже стандартного квантового предела . [19] Сжатый свет также использовался для обнаружения сигналов ниже стандартного квантового предела в плазмонных сенсорах и атомно-силовой микроскопии . [20]

Квантовое зондирование также имеет возможность преодолеть пределы разрешения, где текущие проблемы исчезновения различимости между двумя близкими частотами могут быть преодолены путем устранения проекционного шума. [21] [22] Уменьшение проекционного шума имеет прямое применение в протоколах связи и в наноядерном магнитном резонансе. [23] [24]

Запутывание можно использовать для улучшения существующих атомных часов [25] или для создания более чувствительных магнитометров . [26] [27] Квантовый радар также является активной областью исследований. Современные классические радары могут опрашивать множество целей, в то время как квантовые радары ограничены одной поляризацией или диапазоном. [28]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Пирандола, S; Бардхан, BR; Геринг, Т .; Weedbrook, C .; Ллойд, С. (2018). «Достижения в области фотонного квантового зондирования». Природа Фотоника . 12 (12): 724–733. arXiv : 1811.01969 . Bibcode : 2018NaPho..12..724P . DOI : 10.1038 / s41566-018-0301-6 . S2CID  53626745 .
  2. ^ a b c d e f g Degen, CL; Рейнхард, Ф .; Каппелларо, П. (2017). «Квантовое зондирование». Обзоры современной физики . 89 (3): 035002. arXiv : 1611.02427 . Bibcode : 2017RvMP ... 89c5002D . DOI : 10.1103 / RevModPhys.89.035002 . S2CID 2555443 . 
  3. ^ а б Ли, Донг; Гард, Брайан Т .; Гао, Ян; Юань, Чун-Хуа; Чжан, Вэйпин; Ли, Хван; Доулинг, Джонатан П. (19 декабря 2016 г.). «Фазовая чувствительность на пределе Гейзенберга в интерферометре SU (1,1) через определение четности» . Physical Review . 94 (6): 063840. arXiv : 1603.09019 . Bibcode : 2016PhRvA..94f3840L . DOI : 10.1103 / PhysRevA.94.063840 . ISSN 2469-9926 . S2CID 118404862 .  
  4. ^ a b Адессо, Херардо; Рэги, Сэмми; Ли, Энтони Р. (июнь 2014 г.). «Непрерывная переменная квантовая информация: гауссовские состояния и за их пределами» . Открытые системы и информационная динамика . 21 (1n02): 1440001. arXiv : 1401.4679 . DOI : 10.1142 / S1230161214400010 . ISSN 1230-1612 . S2CID 15318256 .  
  5. ^ Тан, Си-Хуэй; Erkmen, Baris I .; Джованнетти, Витторио; Гуха, Сайкат; Ллойд, Сет; Макконе, Лоренцо; Пирандола, Стефано; Шапиро, Джеффри Х. (18 декабря 2008 г.). «Квантовое освещение с гауссовскими состояниями» . Письма с физическим обзором . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Bibcode : 2008PhRvL.101y3601T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.101.253601 . PMID 19113706 . S2CID 26890855 .  
  6. ^ Шапиро, Джеффри Х; Ллойд, Сет (24 июня 2009 г.). «Квантовое освещение против когерентного обнаружения цели» . Новый журнал физики . 11 (6): 063045. arXiv : 0902.0986 . Bibcode : 2009NJPh ... 11f3045S . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 11/6/063045 . ISSN 1367-2630 . S2CID 2396896 .  
  7. ^ Barzanjeh, Sh .; Abdi, M .; Милберн, ГДж; Tombesi, P .; Виталий, Д. (28 сентября 2012 г.). «Обратимый квантовый интерфейс оптического излучения и микроволнового излучения» . Письма с физическим обзором . 109 (13): 130503. arXiv : 1110.6215 . Bibcode : 2012PhRvL.109m0503B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.130503 . ISSN 0031-9007 . PMID 23030075 . S2CID 6470118 .   
  8. ^ Гуха, Сайкат; Эркмен, Барис И. (10 ноября 2009 г.). «Приемники квантовой засветки с гауссовым состоянием для обнаружения целей» . Physical Review . 80 (5): 052310. arXiv : 0911.0950 . Bibcode : 2009PhRvA..80e2310G . DOI : 10.1103 / PhysRevA.80.052310 . ISSN 1050-2947 . S2CID 109058131 .  
  9. ^ Brownnutt, M ​​.; Kumph, M .; Rabl, P .; Блатт, Р. (11 декабря 2015 г.). «Измерение шума электрического поля вблизи поверхностей с помощью ионных ловушек» . Обзоры современной физики . 87 (4): 1419–1482. arXiv : 1409,6572 . Bibcode : 2015RvMP ... 87.1419B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.87.1419 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119008607 .  
  10. ↑ Кэмпбелл, Вт (23 февраля 2017 г.). «Измерение вращения с захваченными ионами» . Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика . 50 (6): 064002. arXiv : 1609.00659 . Bibcode : 2017JPhB ... 50f4002C . DOI : 10,1088 / 1361-6455 / aa5a8f . S2CID 26952809 . 
  11. ^ Пеззе, Лука; Смерци, Аугусто; Оберталер, Маркус К .; Schmied, Роман; Тройтлейн, Филипп (5 сентября 2018 г.). «Квантовая метрология с неклассическими состояниями атомных ансамблей» . Обзоры современной физики . 90 (3): 035005. arXiv : 1609.01609 . Bibcode : 2018RvMP ... 90c5005P . DOI : 10.1103 / RevModPhys.90.035005 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119250709 .  
  12. ↑ Кэмпбелл, Джо С. (январь 2007 г.). «Последние достижения в области телекоммуникаций - лавинные фотодиоды» . Журнал Lightwave Technology . 25 (1): 109–121. Bibcode : 2007JLwT ... 25..109C . DOI : 10,1109 / jlt.2006.888481 . ISSN 0733-8724 . S2CID 1398387 .  
  13. ^ Израиль, Йонатан (2014). «Сверхчувствительная поляризационная микроскопия с использованием полуденных состояний света». Письма с физическим обзором . 112 (10): 103604. Bibcode : 2014PhRvL.112j3604I . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.103604 . PMID 24679294 . 
  14. ^ Программа квантовых датчиков DARPA .
  15. ^ ОБЪЯВЛЕНИЕ АГЕНТСТВА (BAA) 07-22 Quantum Sensors
  16. ^ Чжуан, Кунтао; Чжан, Жешен; Шапиро, Джеффри Х. (16 октября 2017 г.). «Лидары с усиленным сцеплением для одновременного измерения дальности и скорости» . Physical Review . 96 (4): 040304. arXiv : 1705.06793 . Bibcode : 2017PhRvA..96d0304Z . DOI : 10.1103 / PhysRevA.96.040304 . S2CID 54955615 . 
  17. ^ Лауренса, Риккардо; Лупо, Космо; Спедальери, Гаэтана; Браунштейн, Сэмюэл Л .; Пирандола, Стефано (1 марта 2018 г.). «Моделирование каналов в квантовой метрологии» . Квантовые измерения и квантовая метрология . 5 (1): 1–12. arXiv : 1712.06603 . Bibcode : 2018QMQM .... 5 .... 1L . DOI : 10.1515 / qmetro-2018-0001 . ISSN 2299-114X . S2CID 119001470 .  
  18. ^ Barsotti, Лиза (8 июня 2014). «Квантовое шумоподавление в гравитационно-волновом интерферометре LIGO со сжатыми состояниями света» . CLEO: 2014 (2014), Бумага AW3P.4 . Оптическое общество Америки: AW3P.4. DOI : 10,1364 / CLEO_AT.2014.AW3P.4 . ISBN 978-1-55752-999-2. S2CID  28876707 .
  19. ^ Ю, Haocun; McCuller, L .; Це, М .; Kijbunchoo, N .; Barsotti, L .; Мавалвала, Н. (июль 2020 г.). «Квантовые корреляции между светом и килограммовыми зеркалами LIGO» . Природа . 583 (7814): 43–47. arXiv : 2002.01519 . Bibcode : 2020Natur.583 ... 43Y . DOI : 10.1038 / s41586-020-2420-8 . ISSN 0028-0836 . PMID 32612226 . S2CID 211031944 .    Отсутствует |author1=( помощь )
  20. ^ Пузер, Рафаэль С .; Лори, Бенджамин (20 мая 2015 г.). «Сверхчувствительное измерение смещения микрокантилевера ниже предела дробового шума» . Optica . 2 (5): 393. arXiv : 1405.4767 . Bibcode : 2015 Оптический ... 2..393P . DOI : 10.1364 / OPTICA.2.000393 . ISSN 2334-2536 . S2CID 118422029 .  
  21. ^ Наир, Ранджит; Цанг, Манкей (4 ноября 2016 г.). "Сверхразрешение тепловых электромагнитных источников в дальнем поле на квантовом пределе" . Письма с физическим обзором . 117 (19): 190801. arXiv : 1604.00937 . Bibcode : 2016PhRvL.117s0801N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.190801 . PMID 27858425 . S2CID 25870660 .  
  22. ^ Цанг, Манкей; Наир, Ранджит; Лу, Сяо-Мин (29 августа 2016 г.). «Квантовая теория сверхразрешения для двух некогерентных оптических точечных источников» . Physical Review X . 6 (3): 031033. arXiv : 1511.00552 . Bibcode : 2016PhRvX ... 6c1033T . DOI : 10.1103 / PhysRevX.6.031033 . ISSN 2160-3308 . S2CID 32680254 .  
  23. ^ Лабиринт, младший; Стэнвикс, Польша; Ходжес, Дж. С.; Hong, S .; Тейлор, JM; Cappellaro, P .; Jiang, L .; Датт, М.В. Гурудев; Togan, E .; Зибров А.С.; Якоби, А. (октябрь 2008 г.). «Наномасштабное магнитное зондирование с индивидуальным электронным спином в алмазе» . Природа . 455 (7213): 644–647. Bibcode : 2008Natur.455..644M . DOI : 10,1038 / природа07279 . ISSN 1476-4687 . PMID 18833275 . S2CID 136428582 .   
  24. ^ Конг, Си; Старк, Александр; Ду, Цзянфэн; McGuinness, Liam P .; Железко, Федор (6 августа 2015 г.). «К разрешению химической структуры с помощью наномасштабной спектроскопии ядерного магнитного резонанса» . Применена физическая проверка . 4 (2): 024004. arXiv : 1506.05882 . Bibcode : 2015PhRvP ... 4b4004K . DOI : 10.1103 / PhysRevApplied.4.024004 . S2CID 172297 . 
  25. ^ Боллинджер, Дж. Дж .; Итано, Уэйн М .; Вайнленд, диджей; Хайнцен, диджей (1 декабря 1996 г.). «Оптимальные частотные измерения с максимально коррелированными состояниями». Physical Review . Американское физическое общество (APS). 54 (6): R4649 – R4652. Bibcode : 1996PhRvA..54.4649B . DOI : 10.1103 / physreva.54.r4649 . ISSN 1050-2947 . PMID 9914139 .  
  26. ^ Аузиньш, М .; Будкер, Д .; Kimball, DF; Рочестер, SM; Stalnaker, JE; Сушков, АО; Ящук В.В. (19 октября 2004 г.). «Может ли квантовое неразрушающее измерение улучшить чувствительность атомного магнитометра?». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 93 (17): 173002. arXiv : Physics / 0403097 . Bibcode : 2004PhRvL..93q3002A . DOI : 10.1103 / physrevlett.93.173002 . ISSN 0031-9007 . PMID 15525071 . S2CID 31287682 .   
  27. ^ Гийом, Александр; Доулинг, Джонатан П. (27 апреля 2006 г.). «Ограниченные Гейзенбергом измерения со сверхпроводящими цепями». Physical Review . Американское физическое общество (APS). 73 (4): 040304 (R). arXiv : квант-ph / 0512144 . Bibcode : 2006PhRvA..73d0304G . DOI : 10.1103 / physreva.73.040304 . ISSN 1050-2947 . S2CID 33820154 .  
  28. ^ Lanzagorta, Marco (31 октября 2011). «Квантовый радар» . Синтез лекций по квантовым вычислениям . 3 (1): 1–139. DOI : 10.2200 / S00384ED1V01Y201110QMC005 . ISSN 1945-9726 .