Преимущества квантового сенсора выживают при пробое из-за запутывания

В серии статей с 2008 года члены группы оптических и квантовых коммуникаций в Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института утверждали, что оптические системы, использующие запутанный свет, могут превосходить классические оптические системы — даже когда запутанность нарушается.Два года назад они показали, что системы, в которых используется запутанный свет, могут предложить гораздо более эффективные средства защиты оптической связи.

И теперь, в статье, опубликованной в Physical Review Letters, они демонстрируют, что запутанность также может улучшить работу оптических датчиков, даже если она не выдерживает взаимодействия света с окружающей средой.«Это то, чего не хватало в понимании, которое есть у многих людей в этой области», — говорит старший научный сотрудник Франко Вонг, один из соавторов статьи и вместе с Джеффри Шапиро, профессор Джулиуса А. Страттона. Электротехника, содиректор группы оптических и квантовых коммуникаций. «Они считают, что если из-за неизбежных потерь и шума измеряемый свет выглядит полностью классическим, тогда нет никакого смысла начинать с чего-то квантового. Потому что как это может помочь?

И этот эксперимент показывает, что да, он все еще может помочь».ПостепенноЗапутанность означает, что физическое состояние одной частицы ограничивает возможные состояния другой. Электроны, например, обладают свойством, называемым спином, которое описывает их магнитную ориентацию.

Если два электрона вращаются вокруг ядра атома на одинаковом расстоянии, они должны иметь противоположные спины. Эта спиновая запутанность может сохраняться, даже если электроны покидают орбиту атома, но взаимодействие с окружающей средой быстро разрушает ее.

В системе исследователей Массачусетского технологического института два луча света переплетаются, и один из них хранится локально — проходит через оптическое волокно, — а другой проецируется в окружающую среду. Когда свет проецируемого луча — «зонд» — отражается обратно, он несет информацию об объектах, с которыми столкнулся. Но этот свет также искажается влиянием окружающей среды, которое инженеры называют «шумом». Его рекомбинация с локально сохраненным лучом помогает подавить шум и восстановить информацию.

Локальный луч полезен для подавления шума, поскольку его фаза коррелирует с фазой зонда. Если вы думаете о свете как о волне с правильными гребнями и впадинами, два луча находятся в фазе, если их вершины и впадины совпадают.

Если гребни одного выровнены с впадинами другого, их фазы антикоррелированы.Но свет можно также рассматривать как состоящий из частиц или фотонов. А на уровне частиц понятие фазы более мрачное.«Классически вы можете подготовить лучи, которые полностью противоположны по фазе, но в среднем это верная концепция», — говорит Чжешен Чжан, постдок группы оптических и квантовых коммуникаций и первый автор новой статьи. «В среднем они противоположны по фазе, но квантовая механика не позволяет точно измерить фазу каждого отдельного фотона».

Повышение шансовВместо этого квантовая механика интерпретирует фазу статистически. Учитывая конкретные измерения двух фотонов от двух отдельных лучей света, есть некоторая вероятность того, что фазы лучей коррелированы.

Чем больше фотонов вы измеряете, тем больше у вас уверенности в том, что лучи либо коррелированы, либо нет. В случае с запутанными балками эта уверенность возрастает гораздо быстрее, чем с классическими балками.

Когда зондирующий луч взаимодействует с окружающей средой, шум, который он накапливает, также увеличивает неопределенность последующих фазовых измерений. Но это верно как для классических балок, так и для запутанных балок.

Поскольку запутанные лучи начинаются с более сильной корреляцией, даже когда шум заставляет их отступать в классические пределы, они все равно работают лучше, чем классические лучи при тех же обстоятельствах.«Выход к цели и отражение, а затем возвращение от цели ослабляет корреляцию между зондом и эталонным лучом на один и тот же фактор, независимо от того, начинали ли вы с квантового предела или начинали с классического предела», — сказал Шапиро. говорит. «Если вы начали с квантового случая, который во много раз больше классического, это относительное преимущество останется прежним, даже если оба луча станут классическими из-за потерь и шума».В экспериментах по сравнению оптических систем, использующих запутанный свет и классический свет, исследователи обнаружили, что системы запутанного света увеличивают отношение сигнал / шум — меру того, сколько информации может быть повторно получено от отраженного зонда — на 20 ед. процентов.

Это очень хорошо соответствовало их теоретическим предсказаниям.Но теория также предсказывает, что улучшение качества оптического оборудования, используемого в эксперименте, может удвоить или, возможно, даже учетверить отношение сигнал / шум.

Поскольку ошибка обнаружения экспоненциально уменьшается с увеличением отношения сигнал / шум, это может привести к увеличению чувствительности в миллион раз.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *