物理學家突破了現有光子測量的技術瓶頸

光是打開物理學奧秘的一把鑰匙。光學現象本身是包含豐富內容的研究領域，而依託前沿成果研製出的光學儀器又是重要的實驗工具。

credit:123RF

如今科學家們在光學測量方面又一次打破了原有的技術瓶頸。在利用光子方面達到了現今理論上的極限精度值。

在第一次該類型實驗中，物理學家突破了所謂的射擊雜訊限制——最大限度地提高了光學測量中可以從單個光子中獲取的信息量。

很長一段時期以來，理論物理學家預測，利用量子態光子——其中個體光子相互糾纏——進行測量，可以比非量子態光測量帶來更多優勢。

澳大利亞格里菲斯大學的量子物理學家Geoff Pryde告訴ScienceAlert的記者，當光子糾纏在一起時，它們的屬性是相互關聯的或連接在一起的。

「這意味著測量中的隨機誤差更小，但事實證明，這些糾纏狀態只有在糾纏光子具有高品質且不會『失蹤』的情況下才起作用。」

那是因為當單個光子在測量裝置意外地被吸收或散射，或者根本沒有被檢測到時，隨機性就會滲透進測量結果。

射擊雜訊限制了光子的利用率，以前一直阻礙著科學家在量子狀態下用光子實現超敏感測量的理論極限，但是由於Pryde及其團隊的最新研究，情況已然改變。

「這裡新增的手段是，我們能夠高效率地製造和測量高質量的光子(他們不會失蹤)，」Pryde解釋說，「所以我們可以表明這種技術真能達到理論中理想結果。」

為了實現這一目標，該團隊讓激光通過非線性晶體，這種晶體的特性被精心設置，以提供高質量的糾纏態光子。

然後用光子檢測樣品——無論哪種測量對象都行，在研究中是石英晶體。

通過這樣做，並用高效率檢測器測量光子，該團隊能夠證明可以無條件地突破射頻雜訊的限制，這意味著高精度的光學測量中可以避免隨機雜訊。

「這表明，某些類型的測量利用特定量子態的光子真的比不使用量子物理時更好。」Pryde解釋說。

「我們希望未來的擴展(將多於兩個光子纏結在一起)可用于敏感樣品的精密測量。」

對於這些樣本可能是什麼，科學家團隊承認現在做出推測還有一點早。但是，今後這種方法有可能可以使科學家只需極少的光子就能對材料進行測量。

例如用有限數量的光子測量生物學樣品，以免損壞樣品的精細結構。

但是現在最大的成就，就是表明光子實際上可以在無損的情況下作為測量工具——實現幾十年前理論承諾的最大化效益。

研究報告發表在Nature Photonics。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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