新型量子激光雷达实现高灵敏度风探测
发布时间：2024-10-22 10:26:42 阅读数： 26
用于自由空间风探测的量子擦除HOM （QEHOM）概述。来源：薛教授团队
一个研究小组提出了一种基于上转换量子干涉的风感激光雷达理论，并成功开发了原型机。他们的研究成果发表在 ACS Photonics 上。激光雷达技术的主要目标是 “看到更远、更精细的细节，更快、更准确地测量”。单光子激光雷达通过实现单光子探测，对传统激光雷达进行了重大改进。研究人员一直在探索在量子激光雷达中利用精确量子测量原理的方法。
自 1987 年被发现以来，Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉（也称为双光子干涉）在精确时间测量、量子态分析和量子信息处理中发挥了至关重要的作用。HOM 干涉在量子激光雷达中的应用已成为一个重要的研究热点。研究小组提出了一种利用 HOM 干涉和高阶量子擦除的理论来演示来自不同光源的独立光子的量子干涉现象。HOM 干涉是一种量子光学现象，两个光子之间发生干涉，即使它们不共存，也显示出相关性。量子擦除是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复两个光子之间的量子纠缠。基于这一理论，该团队开发了一种使用上转换探测器的双光子干涉大气激光雷达系统。该系统具有单光子灵敏度高、量子效率高、探测带宽宽、多波长适用性等特点。
结果表明，该量子激光雷达系统在 MHz 采样速率下可记录带宽超过 17 GHz（相当于 13 km/s）的光信号，解决了超快目标连续探测中微弱信号的高采样率和大数据存储难题。此外，在现场实验中，量子干涉激光雷达系统实现了水平距离为 16 km、能量为 70µJ 的风场探测，探测灵敏度比现有激光雷达系统提高了 7 倍，风场探测一致性 R² = 0.997。
成功的远距离风感显示了这种新型量子干涉激光雷达技术在微弱信号测量中的巨大潜力。它可以在不使用频辨装置的情况下测量光频率，结合了直接检测和相干检测的优点。量子激光雷达系统已经实现了光纤集成度和紧凑性，在超高速运动目标的连续遥感中具有广阔的应用前景。
该研究小组由中国科学院中国科学技术大学薛祥辉教授领导。
