Kvantový senzor - Quantum sensor

Pole kvantového snímání se zabývá návrhem a konstrukcí kvantových zdrojů (např. Zapletených) a kvantovými měřeními, která jsou schopná překonat výkon jakékoli klasické strategie v řadě technologických aplikací. To lze provést pomocí fotonický systémy[1] nebo pevné skupenství systémy.[2]

Kvantové snímání využívá vlastnosti kvantové mechaniky, jako je kvantové zapletení, kvantová interference a stlačení kvantového stavu, které optimalizovaly přesnost a překonaly mezní hodnoty proudu v technologie senzorů a vyhnout se Heisenbergův princip nejistoty.[3]

Využití fotonického kvantového snímání zapletení, jednotlivé fotony a vymačkané státy provádět extrémně přesná měření. Optické snímání využívá spojité proměnné kvantové systémy, jako jsou různé stupně volnosti elektromagnetického pole, vibrační režimy pevných látek a Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty.[4] Tyto kvantové systémy lze zkoumat, aby charakterizovaly neznámou transformaci mezi dvěma kvantovými stavy. Existuje několik metod pro zlepšení fotonických senzorů kvantové osvětlení cílů, které byly použity ke zlepšení detekce slabých signálů pomocí kvantové korelace.[5][6][7][8]

Ve fotonice a kvantové optice jsou kvantové senzory často postaveny na spojitých variabilních systémech, tj. Kvantových systémech charakterizovaných kontinuálními stupni volnosti, jako jsou kvadratury polohy a hybnosti. Základní pracovní mechanismus obvykle spoléhá na optické stavy světla, často zahrnující kvantově mechanické vlastnosti, jako je mačkání nebo zapletení ve dvou režimech.[1] Tyto stavy jsou citlivé na fyzické transformace, které jsou detekovány interferometrickými měřeními.[4]

Kvantové snímání lze využít také v nefotonických oblastech, jako jsou spin qubits, uvězněné ionty, a tok qubits.[2] Tyto systémy lze srovnávat podle fyzikálních charakteristik, na které reagují, například zachycené ionty reagují na elektrická pole, zatímco spinové systémy reagují na magnetická pole.[2] Uvězněné ionty jsou užitečné ve svých kvantovaných pohybových úrovních, které jsou silně spojeny s elektrickým polem. Byly navrženy ke studiu hluku elektrického pole nad povrchy,[9] a nověji rotační senzory.[10]

Ve fyzice pevných látek je kvantový senzor kvantovým zařízením, které reaguje na podnět. Obvykle se jedná o senzor, který má kvantované energetické úrovně, používá kvantová koherence měřit fyzickou veličinu nebo použít zapletení ke zlepšení měření nad rámec toho, co lze provést s klasickými senzory.[2] Existují 4 kritéria pro kvantové senzory v pevné fázi:[2]

  1. Systém musí mít diskrétní, rozlišitelné energetické úrovně.
  2. Můžete inicializovat senzor a můžete provést odečet (zapnout a získat odpověď).
  3. Se senzorem můžete soudržně manipulovat.
  4. Senzor interaguje s fyzickou veličinou a má na tuto veličinu určitou odezvu.

Probíhající výzkum a aplikace

Kvantové senzory mají aplikace v nejrůznějších oborech včetně mikroskopie, pozičních systémů, komunikačních technologií, senzorů elektrického a magnetického pole, jakož i geofyzikálních oblastí výzkumu, jako je průzkum minerálů a seismologie.[2] Mnoho měřicích zařízení využívá kvantové vlastnosti k měření sond, jako např atomové hodiny, supravodivá kvantová interferenční zařízení, a nukleární magnetická rezonance spektroskopie.[2][11] S novým technologickým pokrokem lze jednotlivé kvantové systémy použít jako měřicí zařízení s využitím zapletení, superpozice, rušení a mačkání zvýšit citlivost a překonat výkon klasických strategií.

Dobrým příkladem raného kvantového senzoru je lavinová fotodioda (ADP). K detekci zapletení byly použity ADP fotony. S dalším chlazením a vylepšením senzorů lze použít kdekoli fotonásobiče (PMT) v oblastech, jako je lékařské zobrazování. APD ve formě 2-D a dokonce 3-D seskupených polí lze použít jako přímou náhradu za konvenční senzory založené na křemík diody.[12]

The Agentura pro obranné výzkumné projekty (DARPA) zahájila výzkumný program v oblasti optických kvantových senzorů, který se snaží využít myšlenky z kvantová metrologie a kvantové zobrazování, jako kvantová litografie a STAV poledne,[13] za účelem dosažení těchto cílů pomocí optických senzorových systémů, jako jsou lidar.[14][15][16]

U fotonických systémů současná oblast výzkumu zvažuje zpětnou vazbu a adaptivní protokoly. Jedná se o aktivní oblast výzkumu diskriminace a odhadu bosonické ztráty.[17]

Vstřikování stlačeného světla do interferometry umožňuje vyšší citlivost na slabé signály, které by nebylo možné klasicky detekovat.[3] Praktická aplikace kvantového snímání je realizována ve snímání gravitačních vln.[18] Gravitační vlnové detektory, jako LIGO, využít vymačkané světlo měřit signály pod standardní kvantový limit.[19] Mačkané světlo byl také použit k detekci signálů pod standardní kvantový limit v plazmonický senzory a mikroskopie atomové síly.[20]

Kvantové snímání má také schopnost překonat limity rozlišení, kde lze vyřešit současné problémy mizející rozlišitelnosti mezi dvěma blízkými frekvencemi tím, že zmizí šum projekce.[21][22] Klesající projekční šum má přímé uplatnění v komunikačních protokolech a nano-nukleární magnetické rezonanci.[23][24]

Zapletení lze použít ke zlepšení stávajícího atomové hodiny[25] nebo vytvořit citlivější magnetometry.[26][27] Kvantový radar je také aktivní oblastí výzkumu. Současné klasické radary mohou vyslýchat mnoho cílových košů, zatímco kvantové radary jsou omezeny na jednu polarizaci nebo rozsah.[28]

Reference

  1. ^ A b Pirandola, S; Bardhan, B. R .; Gehring, T .; Weedbrook, C .; Lloyd, S. (2018). "Pokroky ve fotonickém kvantovém snímání". Fotonika přírody. 12 (12): 724–733. arXiv:1811.01969. Bibcode:2018NaPho..12..724P. doi:10.1038 / s41566-018-0301-6. S2CID  53626745.
  2. ^ A b C d E F G Degen, C. L .; Reinhard, F .; Cappellaro, P. (2017). „Kvantové snímání“. Recenze moderní fyziky. 89 (3): 035002. arXiv:1611.02427. Bibcode:2017RvMP ... 89c5002D. doi:10.1103 / RevModPhys.89.035002. S2CID  2555443.
  3. ^ A b Li, Dong; Gard, Bryan T .; Gao, Yang; Yuan, Chun-Hua; Zhang, Weiping; Lee, Hwang; Dowling, Jonathan P. (19. prosince 2016). „Fázová citlivost na Heisenbergově limitu v interferometru SU (1,1) pomocí detekce parity“. Fyzický přehled A. 94 (6): 063840. arXiv:1603.09019. Bibcode:2016PhRvA..94f3840L. doi:10.1103 / PhysRevA.94.063840. ISSN  2469-9926. S2CID  118404862.
  4. ^ A b Adesso, Gerardo; Ragy, Sammy; Lee, Antony R. (červen 2014). „Kontinuální proměnná kvantová informace: gaussovské státy a další“. Otevřené systémy a informační dynamika. 21 (1n02): 1440001. arXiv:1401.4679. doi:10.1142 / S1230161214400010. ISSN  1230-1612. S2CID  15318256.
  5. ^ Tan, Si-Hui; Erkmen, Baris I .; Giovannetti, Vittorio; Guha, Saikat; Lloyd, Seth; Maccone, Lorenzo; Pirandola, Stefano; Shapiro, Jeffrey H. (18. prosince 2008). „Kvantové osvětlení s Gaussovými státy“. Dopisy o fyzické kontrole. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.253601. PMID  19113706. S2CID  26890855.
  6. ^ Shapiro, Jeffrey H; Lloyd, Seth (24. června 2009). „Kvantové osvětlení versus detekce cíle v koherentním stavu“. New Journal of Physics. 11 (6): 063045. arXiv:0902.0986. Bibcode:2009NJPh ... 11f3045S. doi:10.1088/1367-2630/11/6/063045. ISSN  1367-2630. S2CID  2396896.
  7. ^ Barzanjeh, Sh .; Abdi, M .; Milburn, G. J .; Tombesi, P .; Vitali, D. (28. září 2012). „Reverzibilní opticko-mikrovlnné kvantové rozhraní“. Dopisy o fyzické kontrole. 109 (13): 130503. arXiv:1110.6215. Bibcode:2012PhRvL.109m0503B. doi:10.1103 / PhysRevLett.109.130503. ISSN  0031-9007. PMID  23030075. S2CID  6470118.
  8. ^ Guha, Saikat; Erkmen, Baris I. (10. listopadu 2009). „Přijímače kvantového osvětlení v Gaussově stavu pro detekci cíle“. Fyzický přehled A. 80 (5): 052310. arXiv:0911.0950. Bibcode:2009PhRvA..80e2310G. doi:10.1103 / PhysRevA.80.052310. ISSN  1050-2947. S2CID  109058131.
  9. ^ Brownnutt, M ​​.; Kumph, M .; Rabl, P .; Blatt, R. (11. prosince 2015). „Měření iontové pasti hluku elektrického pole v blízkosti povrchů. Recenze moderní fyziky. 87 (4): 1419–1482. arXiv:1409.6572. Bibcode:2015RvMP ... 87.1419B. doi:10.1103 / RevModPhys.87.1419. ISSN  0034-6861. S2CID  119008607.
  10. ^ Campbell, W (23. února 2017). "Rotační snímání se zachycenými ionty". Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 50 (6): 064002. arXiv:1609.00659. Bibcode:2017JPhB ... 50f4002C. doi:10.1088 / 1361-6455 / aa5a8f. S2CID  26952809.
  11. ^ Pezzè, Luca; Smerzi, Augusto; Oberthaler, Markus K .; Schmied, Roman; Treutlein, Philipp (5. září 2018). „Kvantová metrologie s neklasickými stavy atomových souborů“. Recenze moderní fyziky. 90 (3): 035005. arXiv:1609.01609. Bibcode:2018RvMP ... 90c5005P. doi:10.1103 / RevModPhys.90.035005. ISSN  0034-6861. S2CID  119250709.
  12. ^ Campbell, Joe C. (leden 2007). „Nedávné pokroky v telekomunikačních lavinových fotodiodách“. Journal of Lightwave Technology. 25 (1): 109–121. Bibcode:2007JLwT ... 25..109C. doi:10.1109 / jlt.2006.888481. ISSN  0733-8724. S2CID  1398387.
  13. ^ Izrael, Yonatan (2014). "Supersenzitivní polarizační mikroskopie využívající NOON States of Light". Dopisy o fyzické kontrole. 112 (10): 103604. Bibcode:2014PhRvL.112j3604I. doi:10.1103 / PhysRevLett.112.103604. PMID  24679294.
  14. ^ Program kvantových senzorů DARPA.
  15. ^ OZNAM BROAD AGENCY (BAA) Kvantové senzory 07-22
  16. ^ Zhuang, Quntao; Zhang, Zheshen; Shapiro, Jeffrey H. (16. října 2017). "Lidar s vylepšeným zapletením pro simultánní měření rozsahu a rychlosti". Fyzický přehled A. 96 (4): 040304. arXiv:1705.06793. Bibcode:2017PhRvA..96d0304Z. doi:10.1103 / PhysRevA.96.040304. S2CID  54955615.
  17. ^ Laurenza, Riccardo; Lupo, Cosmo; Spedalieri, Gaetana; Braunstein, Samuel L .; Pirandola, Stefano (1. března 2018). „Simulace kanálu v kvantové metrologii“. Kvantová měření a kvantová metrologie. 5 (1): 1–12. arXiv:1712.06603. Bibcode:2018QMQM .... 5 .... 1L. doi:10.1515 / qmetro-2018-0001. ISSN  2299-114X. S2CID  119001470.
  18. ^ Barsotti, Lisa (8. června 2014). „Redukce kvantového šumu v gravitačním interferometru LIGO se stlačenými stavy světla“. CLEO: 2014 (2014), Paper AW3P.4. Optická společnost Ameriky: AW3P.4. doi:10.1364 / CLEO_AT.2014.AW3P.4. ISBN  978-1-55752-999-2. S2CID  28876707.
  19. ^ Yu, Haocun; McCuller, L .; Tse, M .; Kijbunchoo, N .; Barsotti, L .; Mavalvala, N. (červenec 2020). „Kvantová korelace mezi světlem a zrcadly kilogram-hmotnost LIGO“. Příroda. 583 (7814): 43–47. arXiv:2002.01519. Bibcode:2020Natur.583 ... 43R. doi:10.1038 / s41586-020-2420-8. ISSN  0028-0836. PMID  32612226. S2CID  211031944. Chybějící | autor1 = (Pomoc)
  20. ^ Pooser, Raphael C .; Lawrie, Benjamin (20. května 2015). „Ultrasensitivní měření posunu mikrokanilky pod limit hluku výstřelu“. Optica. 2 (5): 393. arXiv:1405.4767. Bibcode:2015Optická ... 2..393P. doi:10.1364 / OPTICA.2.000393. ISSN  2334-2536. S2CID  118422029.
  21. ^ Nair, Ranjith; Tsang, Mankei (4. listopadu 2016). „Superřešení vzdálených polí tepelných elektromagnetických zdrojů na kvantové hranici“. Dopisy o fyzické kontrole. 117 (19): 190801. arXiv:1604.00937. Bibcode:2016PhRvL.117s0801N. doi:10.1103 / PhysRevLett.117.190801. PMID  27858425. S2CID  25870660.
  22. ^ Tsang, Mankei; Nair, Ranjith; Lu, Xiao-Ming (29. srpna 2016). „Kvantová teorie superrozlišení pro dva zdroje nekoherentních optických bodů“. Fyzická kontrola X. 6 (3): 031033. arXiv:1511.00552. Bibcode:2016PhRvX ... 6c1033T. doi:10.1103 / PhysRevX.6.031033. ISSN  2160-3308. S2CID  32680254.
  23. ^ Maze, J. R .; Stanwix, P.L .; Hodges, J. S .; Hong, S .; Taylor, J. M .; Cappellaro, P .; Jiang, L .; Dutt, M. V. Gurudev; Togan, E .; Zibrov, A. S .; Yacoby, A. (říjen 2008). „Nanoscale magnetické snímání s individuální elektronickou rotací v diamantu“. Příroda. 455 (7213): 644–647. Bibcode:2008 Natur.455..644M. doi:10.1038 / nature07279. ISSN  1476-4687. PMID  18833275. S2CID  136428582.
  24. ^ Kong, Xi; Stark, Alexander; Du, Jiangfeng; McGuinness, Liam P .; Jelezko, Fedor (6. srpna 2015). „Směrem k rozlišení chemické struktury s nanoscale nukleární magnetickou rezonanční spektroskopií“. Byla provedena fyzická kontrola. 4 (2): 024004. arXiv:1506.05882. Bibcode:2015PhRvP ... 4b4004K. doi:10.1103 / PhysRevApplied. 4.024004. S2CID  172297.
  25. ^ Bollinger, J. J.; Itano, Wayne M .; Wineland, D. J .; Heinzen, D. J. (1. prosince 1996). Msgstr "Optimální měření frekvence s maximálně korelovanými stavy". Fyzický přehled A. Americká fyzická společnost (APS). 54 (6): R4649 – R4652. Bibcode:1996PhRvA..54,4649B. doi:10.1103 / physreva.54.r4649. ISSN  1050-2947. PMID  9914139.
  26. ^ Auzinsh, M .; Budker, D .; Kimball, D. F .; Rochester, S. M .; Stalnaker, J. E .; Sushkov, A. O .; Yashchuk, V. V. (19. října 2004). „Může měření kvantové nedemolice zlepšit citlivost atomového magnetometru?“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 93 (17): 173002. arXiv:fyzika / 0403097. Bibcode:2004PhRvL..93q3002A. doi:10.1103 / physrevlett.93.173002. ISSN  0031-9007. PMID  15525071. S2CID  31287682.
  27. ^ Guillaume, Alexandre; Dowling, Jonathan P. (27. dubna 2006). „Heisenbergovo omezené měření se supravodivými obvody“. Fyzický přehled A. Americká fyzická společnost (APS). 73 (4): 040304 (R). arXiv:quant-ph / 0512144. Bibcode:2006PhRvA..73d0304G. doi:10.1103 / physreva.73.040304. ISSN  1050-2947. S2CID  33820154.
  28. ^ Lanzagorta, Marco (31. října 2011). "Kvantový radar". Syntetické přednášky o kvantovém výpočtu. 3 (1): 1–139. doi:10.2200 / S00384ED1V01Y201110QMC005. ISSN  1945-9726.