光子携带的潜在信息使超精密光谱仪成为可能

频率透镜采用多次衍射对一个衍射光栅。光脉冲以类似于光束通过真实透镜(英尺)的频率进行变换。M. Lipka，华沙大学系统)。来源:华沙大学michaowlipka

来自华沙大学的两位科学家设计了一种基于量子原理的超分辨率光谱仪，专门用于分析短脉冲光源。这款设备由量子光学技术中心、新技术中心以及华盛顿大学物理系的量子光学设备实验室共同研发，其分辨率比传统技术提高了超过两倍。展望未来，该设备有望实现在光子芯片上的微型化，并在光与量子网络以及物质光谱研究领域得到应用。

这项研究成果已在《光学》期刊上发表。光谱学的核心任务是探索光的不同颜色，即光谱。每种化学物质都有其独特的光谱颜色，通过这些颜色可以识别化学物质。同样，遥远恒星的光谱也包含了其天体物理特性，如大小或年龄等信息。不同颜色的光在光纤网络中用于传输信息，类似于无线电波段用于传输多个频道。在这些应用中，一个关键挑战是区分接近的通道或光谱线。传统观点认为，如果光谱线重叠，它们几乎无法被区分，这是由瑞利勋爵约翰·威廉·斯特拉特提出的瑞利判据。

量子信息科学的发展让科学家们认识到，传统的直接成像或光谱学方法忽略了光的复杂电磁场相位中所包含的部分信息。量子启发的超分辨率技术通过转换复杂的电磁场，以最佳方式利用这些潜在信息。

这款光谱仪的工作原理基于超快脉冲的光谱反演超分辨率（SUSI），与量子激发的超分辨率成像方法相似。最大的挑战在于如何将这些概念转化为时间和频率领域。

光电时间透镜。与电子控制信号同步的光脉冲在时间上经历了类似于光束通过真实透镜的变换。(fot。M. Lipka，华沙大学)。来源:华沙大学michaowlipka

在超分辨率量子成像技术中，物体发出的光被分配到干涉仪的两个分支中。其中一个分支装备了能够翻转图像的装置，使得翻转后的图像与原始图像发生干涉。例如，如果一个微小的光源与翻转轴完全对齐，它的翻转图像将与原图相同，导致在干涉仪的一个分支中观察不到光子。但是，一旦光源发生移动，其翻转图像就会与原图不同，从而在该分支中检测到光子。检测到的光子数量可以准确地反映出光源的移动距离。进一步地，如果有两个对称分布在翻转轴周围的光源，每个光源都会以相同的方式贡献被计数的光子，这样就能测量两个光源之间的距离。虽然每次测量的精度都存在限制，但这种技术相较于直接用相机成像的方法，能够显著提高测量精度。

在时间和频率的维度上，这些原理同样适用。不是考虑微小的光源，而是关注具有不同颜色（即来自不同光学通道或光谱线的光脉冲）。在传统的光谱分析方法中，通常使用色散装置（如衍射光栅或棱镜）将不同频率的光分离到相机传感器的不同位置。对于两个接近的光脉冲，它们的频率分布会大部分重叠，这限制了测量它们分离的精度。而采用SUSI技术可以提高这种测量的精度。

实现频率反转是设计SUSI技术的关键。一个基本的观察是，可以在干涉仪的一个分支上执行傅里叶变换，在另一个分支上执行反傅里叶变换，而不是在单个分支上放置翻转器，从而实现相同的效果。这种设计使得设备非常平衡和可扩展，由博士生Michaow Lipka在量子光学设备实验室团队负责人、华盛顿大学物理系光学部门助理教授Michaow Parniak博士的指导下建造。干涉仪的两个分支具有相似的损耗，且用于执行反傅里叶变换和直接傅里叶变换的设备也非常相似。

此外，SUSI干涉仪中使用的所有组件都可以集成到光子芯片上，这使得SUSI非常适合作为光网络中超光谱仪或设备的组成部分。因此，与现有技术相比，SUSI的分辨率至少提高了两倍。