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纠缠可以提高光学传感器的性能

更新时间:2018-05-16

em麻省理工学院的一项新研究表明,纠缠可以提高光学传感器的性能,即使光线不能存活与环境的相互作用 / em

量子信息处理的非凡前景 - 解决传统计算机无法完全保证通信的问题 - 取决于称为“纠缠”的现象,其中不同量子粒子的物理状态变得相互关联。但是纠缠是非常脆弱的,保存它的困难是发展实际量子信息系统的主要障碍。

自2008年以来,一系列论文中,MIT电子研究实验室的Optical和Quantum Communications Group的成员认为使用纠缠光的光学系统可以超越经典的光学系统 - 即使纠缠发生故障时也是如此!

两年前,他们表明,以纠缠光线开始的系统可以提供更有效的光通信保护手段。现在,在一篇发表在“物理评论快报”上的论文中,他们表明,纠缠还可以提高光学传感器的性能,即使光线不能与环境相互作用。

“这一点在许多人在这个领域的理解中已经被忽略了,”高级研究科学家Franco Wong说,该论文的合着者之一,与杰弗里夏皮罗一起,朱利叶斯斯特拉顿教授电气工程,光学和量子通信集团联合主任。 “他们认为,如果不可避免的损失和噪音使得被测量的光看起来完全是古典的,那么从量子开始就没有好处。因为它如何帮助?而且这个实验显示的是,它仍然有帮助。“

分阶段

纠缠意味着一个粒子的物理状态限制了另一粒子的可能状态。例如,电子具有称为自旋的性质,其描述了它们的磁性取向。如果两个电子以相同的距离绕原子核旋转,它们必须具有相反的自旋。即使电子离开原子的轨道,这种自旋纠缠仍然会持续存在,但与环境的相互作用会迅速将其分解。

在麻省理工学院研究人员的系统中,两束光线缠绕在一起,其中一束被局部存储 - 通过光纤进行赛跑 - 另一束被投射到环境中。当来自投影光束的光线 - “探针” - 被反射回来时,它会传输关于它遇到的物体的信息。但是这种灯光也被工程师称之为“噪音”的环境影响所破坏。将它与本地存储的光束重组有助于抑制噪音,恢复信息。

局部光束对噪声抑制很有用,因为它的相位与探针的相位相关。如果你把光想象成波浪,有规则的波峰和波谷,如果它们的波峰和波谷重合,那么两个波束是同相的。如果一个波峰与另一个波谷对齐,则它们的相位是反相关的

但是光也可以被认为是由粒子或光子组成。在粒子层面上,阶段是一个更加混乱的概念。

光学和量子通信组的博士后,新论文的第一作者Zheshen Zhang说:“通常,您可以准备完全相反的光束,但这只是一个平均的有效概念。 “平均而言,它们的相位相反,但量子力学不允许您精确测量每个单独光子的相位。”

提高赔率

相反,量子力学在统计上解释阶段。给定来自两个独立光束的两个光子的特定测量值,这些光束的相位有一定的相关性。您测量的光子越多,光束相关或不相关的确定性就越大。对于纠缠光束,这种确定性比经典光束增加得快得多。

当探测光束与环境相互作用时,其积聚的噪声也增加了随后相位测量的不确定性。但是,对于经典光束来说,它与纠缠光束一样真实。因为纠缠波束始于较强的相关性,即使噪声导致它们在经典范围内回落,它们仍然比在相同环境下经典光束更好。

“走出目标并反射,然后从目标回来,衰减探头和参考光束之间的相关性,而不管你是从量子极限出发还是从经典极限开始,”Shapiro说。 “如果你开始使用比经典案例大很多倍的量子案例,那么相对优势保持不变,即使两个光束由于损耗和噪声而变得经典。”

在比较使用纠缠光和经典光的光学系统的实验中,研究人员发现,纠缠光系统将信噪比提高了20%,这种信噪比是衡量可以从反射探头中重新捕获多少信息的一种度量。这与他们的理论预测非常吻合。

但是该理论还预测,在实验中使用的光学设备的质量的改进可以使信号的两倍甚至四倍噪音比。由于检测误差随着信噪比呈指数下降,这可能导致灵敏度增加百万倍

“这是一个突破,”英国约克大学计算机科学副教授Stefano Pirandola说。 “主要的技术挑战之一是量子照明的实际接收器的实验实现。 Shapiro和Wong实验性地实现了一个量子接收器,它不是最优的,但仍然能够证明量子照明的优势。特别是,他们能够克服与闲置光束的光存储损耗有关的主要问题。“

“这项研究有可能导致量子激光雷达的发展,它能够在非常嘈杂的背景下发现几乎看不见的物体,”他补充道。 “量子照明的工作机制实际上也可以用于短距离开发,例如开发量子传感的非侵入式技术,在生物医学领域具有潜在应用。”

出版物:接受物理评论快报

PDF研究副本:在有损和嘈杂的环境中纠缠增强传感

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院

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