科學(xué)家們有史以來第一次利用一種名為 “量子壓縮”的技術(shù)，提高了被稱為光學(xué)頻率梳激光器器件的氣體傳感性能。這些超精密傳感器就像氣體分子的指紋掃描儀。科學(xué)家們已經(jīng)利用它們發(fā)現(xiàn)了石油和天然氣作業(yè)上方空氣中的甲烷泄漏，以及人類呼吸樣本中的 COVID-19 感染跡象。 現(xiàn)在，在一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，研究人員為使這類測(cè)量更靈敏、更快速（將頻率梳探測(cè)器的速度提高一倍）鋪平了道路。這項(xiàng)工作由科羅拉多大學(xué)博爾德分校的 cott Diddams和加拿大拉瓦爾大學(xué)的Jér?me Genest合作完成。電氣、計(jì)算機(jī)和能源工程系教授Diddams說：“假設(shè)你需要檢測(cè)工廠環(huán)境中微量的危險(xiǎn)氣體泄漏。只需要10分鐘與20分鐘相比，在保證人員安全方面會(huì)有很大的不同。”

他和同事們于1月16日在《Science》上發(fā)表了他們的研究成果。ECEE博士后研究員Daniel Herman領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

普通激光器只發(fā)出一種顏色的光，而頻率梳激光器則同時(shí)發(fā)出幾千到幾百萬種顏色的脈沖。在這項(xiàng)新研究中，研究人員使用普通光纖來精確操縱這些激光器發(fā)出的脈沖。他們能夠 “壓縮”這些光，使其某些特性更加精確，而另一些特性則更加隨機(jī)。換句話說，這項(xiàng)研究戰(zhàn)勝了宇宙中存在的一些極小尺度的自然隨機(jī)性和波動(dòng)性。

Diddams說：“戰(zhàn)勝量子不確定性很難，也不是免費(fèi)的。但這對(duì)于一種強(qiáng)大的新型量子傳感器來說，確實(shí)是非常重要的一步。”

爭(zhēng)奪光子

這項(xiàng)技術(shù)誕生于JILA（科羅拉多大學(xué)博爾德分校與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的聯(lián)合研究所）。Diddams是由JILA的Jan Hall領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成員之一，該團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)90年代末首次開創(chuàng)了頻率梳激光器。Hall也因此于2005年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

例如，當(dāng)這些激光脈沖穿過大氣層時(shí)，其中的分子會(huì)吸收某些顏色的光，但不會(huì)吸收其他顏色的光。這樣，科學(xué)家就可以根據(jù)激光中消失的顏色來識(shí)別空氣中的物質(zhì)。想象一下，這有點(diǎn)像一把掉了幾個(gè)齒的梳子--這就是它名字的由來。但Diddams說：“這些測(cè)量結(jié)果也有內(nèi)在的不確定性。”

他指出，光是由光子組成的，雖然激光從外觀上看可能井然有序，但其單個(gè)光子卻并非如此。Diddams說：“如果你要探測(cè)這些光子，它們不會(huì)以完全一致的速度到達(dá)，比如每納秒一個(gè)。相反，它們到達(dá)的時(shí)間是隨機(jī)的。”反過來，這就在梳狀頻率傳感器傳回的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生了他所說的 “模糊性”。

給予壓縮

在量子物理學(xué)中，許多屬性是耦合的，因此精確測(cè)量其中一個(gè)屬性會(huì)降低對(duì)另一個(gè)屬性的測(cè)量精度。一個(gè)典型的例子是電子等小粒子的速度和位置--你可以知道電子在哪里，也可以知道它移動(dòng)的速度，但永遠(yuǎn)無法同時(shí)知道兩者。壓縮是一種技術(shù)，它能最大限度地利用一種測(cè)量方法，而犧牲另一種測(cè)量方法。

在一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，Diddams和他的同事以一種令人驚訝的簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)了這一壯舉：他們將頻率梳光脈沖通過一根普通光纖發(fā)送，這根光纖與向家中輸送互聯(lián)網(wǎng)的光纖并無太大區(qū)別。

光纖的結(jié)構(gòu)恰到好處地改變了光線，使來自激光器的光子以更有規(guī)律的間隔到達(dá)。但這種有序性的提高是有代價(jià)的。測(cè)量光的頻率或光子如何振蕩以產(chǎn)生特定顏色變得有些困難。不過，這種權(quán)衡使得研究人員在檢測(cè)氣體分子時(shí)，誤差比以前小了很多。

他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中用硫化氫樣本測(cè)試了這種方法，硫化氫是火山爆發(fā)中常見的一種分子，聞起來像臭雞蛋。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，使用其壓縮頻率梳探測(cè)這些分子的速度是使用傳統(tǒng)設(shè)備的兩倍。研究人員還能在紅外光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一效果，比科學(xué)家們以前所取得的成果高出約1000倍。

該研究團(tuán)隊(duì)在將其新型傳感器投入實(shí)際應(yīng)用之前還有很多工作要做。Herman說：“但我們的研究結(jié)果表明，我們比以往任何時(shí)候都更接近在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用量子頻率梳。”

Diddams表示同意：“科學(xué)家們稱這為‘量子提速’，我們已經(jīng)能夠操縱量子力學(xué)中的基本不確定性關(guān)系，更快更好地測(cè)量一些東西。”

這項(xiàng)新研究的其他合著者還包括科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Joshua Combes教授、研究生Molly Kate Kreider、Noah Lordi、Eugene Tsao和Matthew Heyrich以及博士后研究員Alexander Lind 。拉瓦爾大學(xué)研究生Mathieu Walsh也是共同作者之一。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校研究人員創(chuàng)辦的LongPath Technologies公司開發(fā)的梳狀頻率氣體傳感器的激光發(fā)射器。該公司的探測(cè)器可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)石油和天然氣設(shè)施中泄漏的甲烷。(圖片來源：Casey Cass/科羅拉多大學(xué)博爾德分校）。

Scott Diddams（左）和研究生 Pooja Sekhar、Mary KateKreider 在校園內(nèi)的量子工程實(shí)驗(yàn)室。(圖片來源：科羅拉多大學(xué)博爾德分校）。

頻率梳光譜和量子噪聲。 雙梳結(jié)構(gòu)原理和單梳壓縮概念及其結(jié)果。。

雙梳時(shí)域數(shù)據(jù)和模式分辨光譜處理鏈。

量子增強(qiáng)雙梳實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)示意圖。

模式分辨壓縮雙梳光譜。

圖 6：雙梳透射光譜與擬合。(A) 根據(jù)每個(gè)單獨(dú)通道的傅立葉變換比值生成的平均雙梳透射光譜。這些數(shù)據(jù)來自 1112 個(gè)干涉圖或約 198ms 數(shù)據(jù)采集的平均值。黑色曲線是對(duì) SQZ 數(shù)據(jù)集的擬合，其中最明顯的是 H2S 的窄吸收特征。黑色為 SQZ 數(shù)據(jù)集的擬合曲線。灰色為其中一個(gè)通道的雙梳光譜，以供參考。(B) 顯示了三種情況下的殘差（透射減去擬合）：SNL（紅色）、SQZ（藍(lán)色）和 ANTI-SQZ（黃色）。在這種平均條件下，QNR 約為 2.6dB。殘差噪聲的變化源于上圖所示雙梳光譜中的功率不均。(C) 放大幾條 H2S 吸收線，顯示數(shù)據(jù)和擬合程序的高質(zhì)量。

圖 7：使用壓縮頻率梳的量子加速。 ? ? ? ?

審核編輯 黃宇