成對光子比單個光子對旋轉更敏感

江蘇激光聯盟導讀：

成對光子比單個光子對旋轉更敏感。

光的量子態使新穎的光學傳感方案成爲可能，例如用於測量距離或位置，其精度是傳統光源(如激光)無法達到的。一個來自芬蘭和加拿大的研究團隊發現，被設計成在複雜空間結構中糾纏的光子，由於量子現象，在感知最小的旋轉方面具有優勢，這使得量子計量學領域現在被推進得更遠。這種新方法可以比傳統方法進行更精確的測量。

通過對共存於同一橫向位置的兩個光子進行後選，可以看到輸入光子聚束成雙光子結構的概念圖像。來源：Markus Hiekkamäki / Tampere University.

在量子計量領域，科學家們正在開發新的測量方案，受益於量子特性，比傳統的方法更精確和敏感。來自芬蘭Tampere大學和加拿大國家研究委員會的研究團隊現在已經展示了一種簡單而強大的技術，稱爲雙光子N00N態，可以用來創建空間結構的光量子態，這種量子態可以超越旋轉估計的經典極限。研究結果發表在著名雜誌《Physical Review Letters》上。

實驗裝置概念圖。

“我們的實驗結果展示了一種簡單但強大的定製雙光子量子態的方法，併爲實現高測量精度的應用提供了希望。我們方法的簡單性爲創建一個測量系統打開了一條道路，它可以用當前的技術打破傳統的估計極限，”博士研究員和第一作者Markus Hiekkamäki解釋道。

絕對量子極限下的測量精度

該方法利用了一個基本的量子特徵，即兩個光子之間的干涉，這通常被稱爲光子聚束。與更常見的光子聚束進入相同物理路徑相比，新方案導致聚束進入相同的空間結構。

檢測到單光子和雙光子重合作爲一個函數的旋轉角度。單個光子準備在模式中顯示insets (insets的假彩色圖像結構用相機和激光),和相應的雙光子N00N州是由印跡相同的結構對一個光子及其正交對(相同結構旋轉180°/ 2ℓ)。

“在例子中，量子干涉導致了兩個光子的糾纏態。由於實現態的量子性質，與印跡在相同空間形狀上的相同數量的單光子或激光相比，糾纏光子對具有更好的測量精度。使用一種反直覺的量子響應，我們能夠證明在絕對量子極限下實現測量精度是可能的。” Tampere大學實驗量子光學小組的負責人、副教授Robert Fickler說。

除了旋轉測量外，該方法還允許產生橫向空間模式的大量不同量子態。因此，它也可以用於許多不同類型的系統的測量，以及光的多光子量子態的基本測試。

ℓ=100 N00N態的Fisher信息和角度不確定性。在上面一行，連續的綠色線是費雪信息乘以估計的損失前單個光子(或光子對)的總數。

在證明了旋轉估計的優勢之後，研究人員現在正計劃使用這種方法來揭示波的另一個基本性質，即Gouy相位。此外，他們還研究如何將其擴展到多個自由度的量子增強測量方案中。

來源：Photonic Angular Superresolution Using Twisted N00N States, PhysicalReview Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.263601