Вытесняет шум из микроскопических сигналов квантовый свет

Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США использовали квантовую оптику, чтобы продвинуть современную микроскопию и отыскать путь к обнаружению свойств материала с большей чувствительностью, чем это возможно с помощью традиционных инструментов.

Что из себя представляет сжатый свет

«Мы показали, как использовать сжатый свет – особенность квантовой информатики - в качестве практического ресурса для микроскопии», - сказал Бен Лори из отдела материаловедения и технологий ORNL, который руководил исследованием с Рафаэлем Пузером из отдела вычислительных наук и инженерии ORNL.

«Мы измерили смещение микрокантилевера атомно-силового микроскопа с чувствительностью, превышающей стандартный квантовый предел». В отличие от современных классических микроскопов, квантовый микроскоп Пузера и Лори требует, чтобы квантовая теория описывала его чувствительность. Нелинейные усилители в микроскопе ORNL генерируют специальный квантовый источник света, известный как сжатый свет. «Представьте себе расплывчатую картинку», - сказал Пузер. «Многие элементы очень трудно рассмотреть, а некоторые мелкие детали и вовсе скрыты.

Классический шумный свет не позволяет увидеть эти детали. «Сжатая» версия менее размыта и показывает мелкие детали, которые мы не могли видеть раньше из-за шума». Он также добавил: «Мы можем использовать сжатый источник света вместо лазера, чтобы уменьшить шум в показаниях нашего датчика».

Микрокантилевер атомно-силового микроскопа очень похож на доску для прыжков в воду, которая методично сканирует образец и изгибается при обнаружении физических изменений. Со студентами-интернами Ником Савино, Эммой Бэтсон, Джеффом Гарсией и Джейкобом Бекей, Лори и Пузер показали, что изобретенный ими квантовый микроскоп может измерять смещение микрокантилевера с чувствительностью на 50% лучше, чем это возможно при использовании классических методов.

Для измерений длительностью в одну секунду квантово-усиленная чувствительность составила 1,7 фемтометра - примерно в два раза больше диаметра ядра углерода. «Сжатые источники света использовались для обеспечения квантово-усиленной чувствительности для обнаружения гравитационных волн, порождаемых слиянием черных дыр», - сказал Пузер. «Наша работа помогает перевести эти квантовые датчики из космологического масштаба в наномасштаб».

В чем суть нового подхода?

Их подход к квантовой микроскопии основан на контроле световых волн. Когда волны объединяются, они могут конструктивно интерферировать, то есть амплитуды пиков накладываются друг на друга, чтобы сделать результирующую волну больше. Или они могут создавать деструктивные помехи, то есть минимальные амплитуды вычитаются из пиковых амплитуд, чтобы уменьшить результирующую волну.

Этот эффект можно увидеть в волнах в пруду или в электромагнитной волне света, такой как лазер. «Интерферометры разделяют, а затем объединяют два световых луча, чтобы измерить небольшие изменения фазы, которые влияют на интерференцию двух лучей при их рекомбинации», - сказал Лори.

«Мы использовали нелинейные интерферометры, в которых используются нелинейно-оптические усилители для достижения классически недоступной чувствительности». Междисциплинарное исследование, опубликованное в Physical Review Letters, является первым практическим применением нелинейной интерферометрии.

Возникающие проблемы и их устранение

Хорошо известный аспект квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга, делает невозможным определение положения и импульса частицы с абсолютной достоверностью. Аналогичное соотношение неопределенности существует для амплитуды и фазы света.

Этот факт создает проблему для датчиков, которые полагаются на классические источники света, такие как лазеры: наивысшая чувствительность, которую они могут достичь, сводит к минимуму зависимость неопределенности Гейзенберга с одинаковой неопределенностью по каждой переменной.

Сжатые источники света уменьшают неопределенность одной переменной, увеличивая при этом неопределенность другой, таким образом «сжимая» распределение неопределенности. По этой причине научное сообщество использовало сжатие для изучения больших и малых явлений.

Чувствительность таких квантовых датчиков обычно ограничивается оптическими потерями. «Сжатые состояния - это хрупкие квантовые состояния», - сказал Пузер. «В этом эксперименте мы смогли обойти проблему, используя свойства запутанности». Запутанность означает, что независимые объекты ведут себя как одно целое.

Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». В этом случае интенсивности световых лучей коррелируют друг с другом на квантовом уровне. «Из-за запутанности, если мы измеряем мощность одного луча света, это позволит нам предсказать мощность другого, не измеряя его», - продолжил он.

«Из-за запутанности эти измерения менее зашумлены, и это дает нам более высокое отношение силы сигнала к шуму». Подход ORNL к квантовой микроскопии в целом актуален для любого оптимизированного датчика, который использует лазеры для считывания сигналов.

«К примеру, обычные интерферометры можно заменить нелинейной интерферометрией для достижения квантово-повышенной чувствительности для биохимического зондирования, обнаружения темной материи или определения магнитных свойств материалов», - сказал Лори.