Forschungsgruppe bringt Quantensensorik mit einem neuen Modell in optischen Fasern voran

Die Forschung auf dem Gebiet der Quantentechnik kann eine Reihe bedeutender Fortschritte in der Sensortechnologie bringen, aber optische Verluste und Signalrauschen haben diese Anwendungen – bis vor kurzem – zurückgehalten. In „Realistisches Modell der verschränkungsverstärkten Erfassung in optischen Fasern“, veröffentlicht in Optik Express Anfang dieses Jahres prognostizieren und demonstrieren die Optics and Photonics Research Group an der CU Boulder und ihre Partner bedeutende Fortschritte in der faserbasierten, quantenverstärkten Fernerkundung und Untersuchung von lichtempfindlichen Materialien.

Die Gruppe unter der Leitung von Alfred und Betty T. Look, Stiftungsprofessorin Juliet Gopinath vom Department of Electrical, Computer and Energy Engineering, modellierte den internen Verlust, das externe Phasenrauschen und die Ineffizienz eines Mach-Zehnder-Interferometers, verwendete jedoch eine praktische Faserquelle das erzeugte Holland-Burnett-Verschränkungszustände aus dem gequetschten Vakuum mit zwei Moden. Dadurch wurden die Einschränkungen durch interne Verluste und Phasenrauschen erheblich reduziert und die potenziellen Vorteile eines quantenbasierten Ansatzes für die Empfindlichkeit demonstriert.

Die Gruppe fand heraus, dass eine gequetschte Zwei-Moden-Vakuumquelle etwa die 25-fache Menge an Photonenfluss liefert als vergleichbare verschränkte Quellen, und sagte voraus, dass die Phasenempfindlichkeit um bis zu 28 % über die Schrotrauschgrenze steigen kann.

Greg Krueper ist Doktorand in der Optics and Photonics Research Group und Erstautor der Veröffentlichung. Als Student arbeitete er an Designprojekten für Sensoren. Als Ph.D. Als Kandidat, der bei Gopinath studierte, erfuhr er von den potenziellen Verbesserungen, die die Quantenphysik für optische Sensoren bringen könnte.

„In diesem Moment wurde die Quantenphysik zu etwas, das man nicht nur lernen und durcharbeiten musste, sondern zu unserem Vorteil nutzen und entwickeln konnte“, sagte Krueper. „Das Durchlesen der Literatur über die durch Verschränkung verstärkte Sensorik offenbarte eine erhebliche Lücke zwischen der Beobachtung der Physik im Labor und der Nutzung dieser Beobachtungen in einem praktischen Sensor. Wir wollten untersuchen, was genau nötig wäre, um einen solchen Sensor zu entwickeln, und wie schwierig das wäre sein.“

Während die Auswirkungen von Phasenrauschen und optischen Verlusten in klassischen und Quantenversionen des Sensors zuvor modelliert wurden, war die Arbeit der Gopinath-Gruppe insofern einzigartig, als sie sie in ein einziges Modell integrierte.

„Unsere Ergebnisse heben einige subtile Punkte bei der Herstellung eines praktischen Sensors hervor, der die allgemeine Technik der verschränkten Photoneninterferometrie verwendet“, sagte Krueper. „Wir machten auch auf die offene und weitgehend unerforschte Idee aufmerksam, diese Erfassungsmethoden mit optischen Fasersensoren zu verwenden, was das Anwendungsspektrum dieser Technik erheblich erweitern würde.“

Der stellvertretende Forschungsprofessor Lior Cohen würdigte Krueper in einzigartiger Weise für das Entwerfen und Programmieren des Modells, die Berechnung der Ergebnisse und die Arbeit an dem Papier. Cohen war bei dem Projekt in beratender Funktion tätig.

„Ich wurde von den kontraintuitiven Ergebnissen der Quantenmechanik inspiriert“, sagte Cohen und zitierte den Wunsch, diese Experimente anzugehen. „Um diese Arbeit fortzusetzen, haben wir Pläne, quantenverstärkte Langstrecken-Temperatursensoren in Fasern zu entwickeln.“

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit den Co-Autoren Stephen Libby und Charles Yu am Lawrence Livermore National Laboratory und Robert Mellors an der University of California, San Diego, durchgeführt.