Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben bei der Nutzung der Quantenmechanik zur Verbesserung von Sensorgeräten einen großen Schritt nach vorne gemacht. Dieser neue Fortschritt könnte in einem breiten Spektrum von Bereichen eingesetzt werden, darunter Materialcharakterisierung, verbesserte Bildgebung sowie biologische und medizinische Anwendungen .
Unter Quantenmechanik verstehen wir extrem kleine Objekte, die Eigenschaften von Teilchen und Wellen aufweisen. Seine Anwendung bei der Verbesserung von Sensorgeräten zielt darauf ab, genauere Messungen zu erzielen, die sonst nicht zugänglich wären. Quantensensorik wird in einer Vielzahl anspruchsvoller Umgebungen und Anwendungen eingesetzt, darunter die Erkennung von Öllecks in Unterwasserpipelines, die Untersuchung biologischer Proben, die Verbesserung medizinischer Geräte und die Erkennung dunkler Materie im gesamten Universum.
Wissenschaftler des ORNL und der University of Oklahoma haben die einzigartigen Eigenschaften von Quantenzuständen des Lichts genutzt, um eine parallele quantenverstärkte Erfassung zu implementieren. Die in diesem Experiment verwendete Lichtart befindet sich in komprimierten Zuständen, die weniger Rauschen aufweisen als klassisches Licht oder Licht mit elektromagnetischen Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind.
Diese Ergebnisse öffnen die Tür für hochparallele räumlich aufgelöste quantenverstärkte Sensortechniken und komplexe Quantensensorik- und Quantenbildgebungsplattformen. Diese Forschung baut auf früheren Arbeiten zur quantenverstärkten plasmonischen Sensorik mit Quantenlicht auf, die zeigten, dass plasmonische Sensoren mit Quantenlicht verbessert werden können.
Die Ergebnisse der Studie waren veröffentlicht im Tagebuch ACS Photonik.
Im Rahmen ihrer Experimente zur besseren Nutzung der Quanteneigenschaften von Licht für die Sensorik nutzten die Forscher helle Zwillingslichtstrahlen, um ein Quadranten-Plasmonarray mit vier Sensoren zu untersuchen – ein Sensorsystem, das aus vier einzelnen Sensoren besteht, die in einem Quadrantenlayout angeordnet sind.
Aufbauend auf ihren früheren Arbeiten zur plasmonischen Sensorik zeigen ihre Ergebnisse, dass es möglich ist, lokale Änderungen des Brechungsindex für alle vier Sensoren unabhängig und gleichzeitig mit einem Quantenvorteil zu messen. Dadurch können die Sensoren gleichzeitig und nicht seriell oder nacheinander untersucht werden, was für Forschungszwecke wie die Erkennung dunkler Materie oder bildgebende Anwendungen erforderlich ist. Die Forschung führte zu einer Quantensteigerung der Empfindlichkeit aller vier Sensoren im Bereich von 22 % bis 24 % gegenüber der entsprechenden klassischen Konfiguration.
„Normalerweise nutzt man die Tatsache, dass man zeitliche Korrelationen hat, und nutzt Rauschpegel unterhalb der klassischen Grenze, also der Kompression, aus, um eine Messung zu verbessern und eine Quantenverstärkung zu erhalten“, sagte ORNL-Forscher Alberto Marino. „In diesem Fall haben wir sowohl die zeitlichen als auch die räumlichen Korrelationen kombiniert, um mehrere Sensoren gleichzeitig zu untersuchen und eine gleichzeitige Quantenverstärkung für alle zu erzielen.“
Marino, der als Gruppenleiter für Quantensensorik und -computing am ORNL fungiert und eine gemeinsame Lehrtätigkeit an der University of Oklahoma innehat, fügte hinzu, dass das Ziel dieser Forschung darin bestehe, deutlich mehr Informationen aus einem System zu extrahieren und gleichzeitig einen Quantenvorteil aufrechtzuerhalten.
Ein Bereich, in dem das Labor dies in der Praxis nutzen wird, ist die Entdeckung dunkler Materie, von der Wissenschaftler glauben, dass sie die unerklärte Materie ist, die sich über das gesamte Universum erstreckt. Diese Art von Materie interagiert nicht mit Licht, übt jedoch eine Gravitationskraft aus. Daher erfordert die Erkennung dunkler Materie aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit normaler Materie große Sensoranordnungen.
„Wir haben jetzt ein Projekt, bei dem wir die Erkennung dunkler Materie durchführen und dafür eine Reihe von Sensoren benötigen“, sagte Marino. „Unsere Arbeit zur parallelen Quantensensorik wird dort eine wichtige Rolle spielen, da sie ein erster Schritt zur gleichzeitigen Untersuchung mehrerer Sensoren ist und es uns ermöglicht, über unsere derzeitige Arbeit mit einem einzigen optomechanischen Sensor hinauszugehen.“
Zur Erkennung dunkler Materie nutzt das ORNL-Team derzeit Quantenzustände des Lichts, um die Empfindlichkeit eines optomechanischen Sensors auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zu erhöhen. Das Licht wird verwendet, um die Beschleunigung zu messen, die auf das MEMS durch seine erwartete Wechselwirkung mit dunkler Materie ausgeübt wird. In Zukunft wird die Quelle so optimiert, dass sie möglichst viele unabhängig voneinander quantenkorrelierte Regionen oder Kohärenzbereiche enthält. Jeder dieser Kohärenzbereiche wird dann zur Untersuchung eines Sensors im Array verwendet.
„Die Kombination aus paralleler quantenverstärkter Sensorik und plasmonischen Sensoren könnte es beispielsweise ermöglichen, die Erkennung mehrerer Krankheitserreger im Blut gleichzeitig zu verbessern, indem jeder Sensor in einem Array etwas anderes erkennt“, sagte Marino.
Weitere Informationen:
Mohammadjavad Dowran et al, Parallel Quantum-Enhanced Sensing, ACS Photonik (2024). DOI: 10.1021/acsphotonics.4c00256