科学家们在测量两个光子之间的时间延迟方面表现出前所未有的敏感性
发布时间：2023-04-27 08:00:00 阅读数： 12
通过非解析技术对延迟Δt=4τ,9τ的估计进行数值模拟，η≃0.8。在这个体系中，由于公式(13)中的Fisher信息随着Δt的增加而呈指数级下降，Cramèr-Rao约束急剧增加。此外，由于观察到的重合和串联事件数量的统计波动，许多迭代都不能得到延迟的有限估计，从绿色点的密度可以看出，每个点都代表一个失败的估计。资料来源：《物理评论应用》（2023）。DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044068
一个研究小组已经证明了量子物理学在测量两个光子之间的时间延迟方面所允许的终极敏感性。
通过频率分辨采样测量它们在分束器上的干扰，该团队表明，在目前的技术范围内可以达到前所未有的精度，估计的误差可以通过降低光子时间带宽进一步降低。
这一突破对一系列应用有重大意义，包括对纳米结构（包括生物样本）和纳米材料表面进行更可行的成像，以及基于光网络中频率分辨玻色子采样的量子增强估计。
这项研究是由朴茨茅斯大学的一个科学家团队进行的，由该大学的量子科学技术中心主任Vincenzo Tamma博士领导。该研究的结果发表在《物理评论应用》杂志上。
塔玛博士说："我们的技术利用了发生在分光器两个面上的两个单光子在分光器输出通道上测量时无法区分的量子干扰。如果在撞击分光器之前，一个光子由于穿过样品或被样品反射而在时间上相对于另一个光子有所延迟，那么人们可以通过探测分光器输出端的光子的量子干扰来实时检索这种延迟的值，从而检索出样品的结构。
"我们表明，当通过对两个光子的频率进行采样测量来解决这种双光子干扰时，可以达到测量时间延迟的最佳精度。事实上，这确保了两个光子在检测器上保持完全不可区分，无论它们在输出端检测到的任何采样频率值的延迟如何。"
该团队提出使用双光子干涉仪来测量两个光子在分束器上的干涉。然后，他们引入了一种基于频率分辨采样测量的技术，以自然界所允许的最佳精度来估计两个光子之间的时间延迟，并且在光子时间带宽减少的情况下，灵敏度越来越高。
塔玛博士补充说："我们的技术克服了以前的双光子干扰技术在测量过程中没有检索到光子频率信息的局限。
"它允许我们采用实验上可能的最短持续时间的光子，而不影响探测器上延时光子的可区分性，因此在显著减少所需光子对数量的情况下最大限度地提高了延时估计的精度。这允许对给定的样品进行相对快速和有效的表征，为生物学和纳米工程的应用铺平道路。"
这项突破性研究的应用是非常重要的。它有可能大大改善纳米结构的成像，包括生物样本和纳米材料表面。此外，它还可能导致在光网络中基于频率分辨的玻色子采样的量子增强估计。
参考信息：Danilo Triggiani et al, Ultimate Quantum Sensitivity in the Estimation of the Delay between two Interfering Photons through Frequency-Resolving Sampling, Physical Review Applied (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044068
