来自 ORNL 和俄克拉荷马大学的科学家利用光的量子态的独特特性来实现并行量子增强传感。图片来源：ORNL，美国能源部

美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员在使用量子力学来增强传感设备方面向前迈出了一大步，这一新进展可用于广泛的领域，包括材料表征、改进的成像以及生物和医学应用。

量子力学是我们理解具有粒子和波特征的极小物体的方式。它在增强传感设备中的应用旨在实现其他方式无法实现的更准确的测量。量子传感用于各种具有挑战性的环境和应用，包括检测水下管道中的漏油、探测生物样本、增强医疗设备以及检测整个宇宙中的暗物质。

来自 ORNL 和俄克拉荷马大学的科学家利用光的量子态的独特特性来实现并行量子增强传感。本实验中使用的光类型处于压缩状态，其噪声低于经典光，或具有人眼可见的电磁波长的光。

这些结果为高度并行空间分辨的量子增强传感技术以及复杂的量子传感和量子成像平台打开了大门。这项研究建立在之前使用量子光进行量子增强等离子体传感的工作之上，该工作揭示了量子光可以增强等离子体传感器。

研究结果发表在《ACS Photonics》杂志上。

为了更好地利用光的量子特性进行传感，研究人员在实验中利用明亮的双光束探测了一个四传感器象限等离子体阵列，该传感系统由四个以象限布局排列的独立传感器组成。

基于他们之前在等离子体传感方面的工作，他们的发现表明，可以独立和同时测量所有四个传感器的折射率局部变化，并具有量子优势。这允许同时探测传感器，而不是连续或按顺序探测传感器，而暗物质探测或成像应用等研究则需要。该研究导致所有四个传感器的灵敏度在相应的经典配置上都提高了 22% 至 24%。

“通常，你利用你在时间上有相关性的事实，并利用低于经典极限的噪声水平，即压缩，来增强测量并获得量子增强，”ORNL 研究员 Alberto Marino 说。“在这种情况下，我们所做的是将时间和空间相关性结合起来，同时探测多个传感器，并同时为所有传感器获得量子增强。”

Marino 担任 ORNL 量子传感和计算小组负责人，并在俄克拉荷马大学担任联合教职，他补充说，这项研究的目标是在保持量子优势的同时从系统中提取更多信息。

实验室在实践中将使用的一个领域是探测暗物质，科学家们认为暗物质是横跨宇宙的下落不明的物质。这种类型的物质不与光相互作用，但确实会施加引力，因此探测暗物质需要大型传感器阵列，因为它与标准物质的相互作用很弱。

“我们现在有一个项目，我们正在进行暗物质检测，这将需要一系列传感器，”Marino 说。“我们在并行量子传感方面的工作将在那里发挥重要作用，因为这是同时探测多个传感器的第一步，并将使我们能够超越目前使用单个光机械传感器的工作。”

对于暗物质探测，ORNL 团队目前正在使用量子光态来提高基于微机电系统 （MEMS） 的光机械传感器的灵敏度。该光用于测量 MEMS 由于预期与暗物质相互作用而施加在 MEMS 上的加速度。展望未来，将对源进行优化，以包含尽可能多的独立量子相关区域或相干区域。然后，这些相干区域中的每一个都将用于探测阵列中的传感器。

“例如，并行量子增强传感和等离子体传感器的结合可以通过让阵列中的每个传感器检测不同的事物，同时提高对血液中多种病原体的检测，”Marino 说。

更多信息：Mohammadjavad Dowran 等人，并行量子增强传感，ACS Photonics （2024）。DOI： 10.1021/acsphotonics.4c00256

期刊信息： ACS Photonics