Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat eine neuartige Quantensensortechnologie entwickelt, die die Messung von Störungen im Infrarotbereich mit sichtbarem Licht ermöglicht, indem sie das Phänomen der Quantenverschränkung nutzt. Dies ermöglicht kostengünstige, leistungsstarke optische IR-Messungen, die bisher nur mit Einschränkungen bei der Erzielung qualitativ hochwertiger Ergebnisse verbunden waren.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Quantenwissenschaft und -technologie.
Wenn ein Paar Photonen, die kleinste Einheit von Lichtteilchen, durch Quantenverschränkung miteinander verbunden ist, teilen sie unabhängig von ihrer jeweiligen Entfernung einen zugehörigen Quantenzustand. Der kürzlich entwickelte unentdeckte Photonenquantensensor ist ein Fernsensor, der zwei Lichtquellen verwendet, die eine solche Quantenverschränkung nachbilden.
Ein nicht erkanntes Photon (Idler) ist ein Photon, das zum Messobjekt wandert und zurückprallt. Anstatt dieses Photon direkt zu messen, misst der Sensor für nicht erkannte Photonen das andere Photon des Paares, das durch Quantenverschränkung verbunden ist, um Informationen über das Objekt zu erhalten.
Quantensensoren auf Basis unentdeckter Photonen sind eine noch junge Technologie, die erst im letzten Jahrzehnt realisiert wurde. Obwohl sich die Technologie noch in einem frühen Stadium befindet, beteiligt sich die globale Forschungsgemeinschaft weiterhin aktiv am Entwicklungswettlauf. Der von KRISS entwickelte Quantensensor für unentdeckte Photonen unterscheidet sich von früheren Studien durch seine zentralen photometrischen Geräte, den Photodetektor und das Interferometer.
Ein Photodetektor ist ein Gerät, das Licht in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Die Anwendungsmöglichkeiten bisheriger Hochleistungs-Photodetektoren waren weitgehend auf die Bandbreite des sichtbaren Lichts beschränkt. Obwohl Wellenlängen im Infrarotbereich für Messungen in verschiedenen Anwendungen in vielen Bereichen nützlich sind, gab es entweder keine verfügbaren Detektoren oder nur Detektoren mit schlechter Leistung.
Diese neueste KRISS-Forschung hat den Einsatz von sichtbaren Lichtdetektoren zur Messung der Lichtzustände im Infrarotbereich ermöglicht, wodurch eine effiziente Messung ohne teure und stromfressende Geräte möglich wird. Sie kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter die zerstörungsfreie Messung dreidimensionaler Strukturen, Biometrie und die Analyse von Gaszusammensetzungen.
Ein weiteres wichtiges Element bei optischen Präzisionsmessungen ist das Interferometer, ein Gerät, das Signale durch die Integration mehrerer Lichtstrahlen erhält, die sich auf getrennten Wegen bewegen. Herkömmliche unentdeckte Photonenquantensensoren verwenden hauptsächlich einfache Michelson-Interferometer, die einfache Lichtwege verwenden, wodurch die Anzahl der messbaren Ziele begrenzt wird.
Der von KRISS entwickelte Sensor implementiert ein Hybrid-Interferometer, das die Lichtwege je nach Zielobjekt flexibel ändern kann, was die Skalierbarkeit erheblich verbessert. Somit eignet sich der Sensor zur Anpassung an verschiedene Umgebungsanforderungen, da er je nach Größe oder Form des Messobjekts modifiziert werden kann.
Die Quantum Optics Group bei KRISS hat eine theoretische Analyse der Faktoren vorgelegt, die die wichtigsten Leistungskennzahlen der Quantensensoren bestimmen, und ihre Wirksamkeit mithilfe eines Hybridinterferometers empirisch nachgewiesen.
Das Forschungsteam reflektierte Licht im Infrarotbereich auf eine zu messende dreidimensionale Probe und maß die verschränkten Photonen im sichtbaren Bereich, um das Bild der Probe, einschließlich ihrer Tiefe und Breite, zu erhalten. Dem Team gelang es, aus Messungen im sichtbaren Bereich ein dreidimensionales Infrarotbild zu rekonstruieren.
Park Hee Su, Leiter der Quantum Optics Group bei KRISS, sagte: „Dies ist ein bahnbrechendes Beispiel, das die Grenzen der herkömmlichen optischen Sensorik durch Nutzung der Prinzipien der Quantenoptik überwunden hat.“ Er fügte hinzu, dass KRISS „mit der Folgeforschung zur praktischen Anwendung der Technologie fortfahren wird, indem die Messzeit verkürzt und die Sensorauflösung erhöht wird.“
Mehr Informationen:
Eun Mi Kim et al, Quantenoptische induzierte Kohärenztomographie durch ein Hybridinterferometer, Quantenwissenschaft und -technologie (2023). DOI: 10.1088/2058-9565/ad124d