物理學家研發(fā)在量子極限下工作的可量產(chǎn)光子傳感器能用于環(huán)境、癌癥等高精度監(jiān)測

當代社會，傳感器遍布安全和環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、自動駕駛等眾多領域，在社會生活中發(fā)揮著記錄重要信息等關鍵作用。

而量子傳感有望大幅提高現(xiàn)有傳感器的性能，使其能夠更準確和快速地測量物理量，并將對多方面的科學和技術領域產(chǎn)生變革性影響。

近日，英國布里斯托大學領導的一個物理學家團隊宣稱，他們證明“利用一種環(huán)形諧振器，可以在不需要復雜的光量子態(tài)和探測方案的情況下對重要物理性質進行高精度測量”。據(jù)了解，該環(huán)形諧振器能采用當前的半導體工藝進行批量制造，有望被實際應用于環(huán)境監(jiān)測、超聲成像、抗體譜和癌癥檢測等領域。

在商業(yè)代工廠中納米制造的具有微環(huán)諧振器的光子芯片

量子信息科學的理論和實際應用是當今科學技術領域最激動人心的研究活動之一。

研究人員表示：“光的量子態(tài)已被證明可以提高在經(jīng)典策略之上的吸收估計的精度。但目前大多數(shù)量子傳感方案依賴于光的特殊糾纏或壓縮狀態(tài)及難以產(chǎn)生和檢測的物質，這是量子極限傳感器功能得以全部利用和實際部署的主要障礙。”

目前，使用光學環(huán)形諧振器檢測和表征分析物已被應用于廣泛的場景，如氣體傳感、機械應變的測量和生化分析。但利用這些結構估計被分析物性質在量子計量學中的基本極限幾乎還未被具體研究。

量子計量學試圖確定和達到估計物理參數(shù)的基本量子極限（量子尺度下測量精度的極限），主要是識別在等效資源集上優(yōu)于經(jīng)典傳感方案的量子策略，例如，給定探針光子的平均數(shù)量，非經(jīng)典態(tài)被用于提高在干涉測量、磁測量和光譜學等各種應用中的相位和吸收精度估計。

本研究的一個目標是量化具有經(jīng)典光源的工程光子電路是否能在標準單通方案中優(yōu)于非經(jīng)典狀態(tài)探針。與單通策略相比，諧振光腔由于光強度的增強和相互作用數(shù)量的增加而擴大了提高精度的前景。

據(jù)了解，研究人員采用的系統(tǒng)是一個由環(huán)形諧振器耦合的全通環(huán)形諧振器，其可極大提高光線與樣本的相互作用。

當分析物迅速耦合到全通環(huán)形諧振器而使吸收系數(shù)和折射率產(chǎn)生改變時，研究人員量化了這些精度增益的大小，并利用量子估計理論，確定了對單模高斯探測狀態(tài)產(chǎn)生最高可能精度的實驗參數(shù)。

在最優(yōu)工作點上，他們發(fā)現(xiàn)使用強壓縮態(tài)比相干態(tài)探針沒有任何優(yōu)勢，以及全通環(huán)形諧振器系統(tǒng)中的相干態(tài)探針在量子學方面好于單通策略探針。

全通環(huán)形諧振器

結果表明，工程光子電路是一個在提高參數(shù)估計精度方面十分有前景的技術。研究人員提到：“利用該技術來感測吸收系數(shù)或折射率的變化，可用于識別和表征各種材料和生化樣品。”

量子工程技術實驗室博士生、論文第一作者亞歷克斯·貝爾斯利說：“我們離所有集成光子傳感器在量子力學規(guī)定的檢測極限下運行又近了一步。”

據(jù)了解，量子工程技術實驗室成立于2015年，目前有著來自布里斯托大學物理和電氣與電子工程學院的一百多名研究人員，致力于加速量子技術的應用，開發(fā)使用量子現(xiàn)象的新功能和硬件，包括“量子計算硬件、量子通信、增強傳感和成像的新途徑，以及研究基礎量子物理學的新平臺等”。其目標是通過和世界上一些優(yōu)秀的量子初創(chuàng)企業(yè)合作，將量子科學發(fā)現(xiàn)帶出實驗室服務社會。該實驗室一個關鍵的支撐技術平臺是集成量子光子學，它在一定程度上改變了世界各地的量子實驗。集成量子光子學使用光子集成電路來控制光量子態(tài)，為光學量子電路的小型化和放大提供了一種有前途的方法，可應用于量子計算、量子通信、量子模擬等方面。