Исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж при Министерстве энергетики США сделали большой шаг вперед в использовании квантовой механики для усовершенствования сенсорных устройств. Это новое достижение может найти применение в самых разных областях, включая характеристику материалов, улучшенную визуализацию, а также биологические и медицинские приложения. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.
Квантовая механика — это то, как мы понимаем чрезвычайно малые объекты, которые обладают характеристиками частиц и волн. Ее применение в усовершенствовании сенсорных устройств направлено на достижение более точных измерений, которые были бы недоступны в противном случае. Квантовое зондирование используется в различных сложных средах и приложениях, включая обнаружение утечек нефти в подводных трубопроводах, зондирование биологических образцов, усовершенствование медицинских устройств и обнаружение темной материи во всей Вселенной.
Ученые из ORNL и Университета Оклахомы использовали уникальные свойства квантовых состояний света для реализации параллельного квантово-усиленного зондирования. Тип света, используемый в этом эксперименте, находится в сжатых состояниях, которые имеют меньше шума, чем классический свет, или свет с электромагнитными длинами волн, которые видны человеческому глазу.
Эти результаты открывают дверь для высокопараллельных пространственно-разрешенных квантово-усиленных сенсорных технологий и сложных квантовых сенсоров и квантовых платформ визуализации. Это исследование основывается на предыдущей работе по квантово-усиленным плазмонным сенсорам с использованием квантового света, которая показала, что плазмонные сенсоры могут быть улучшены с помощью квантового света.
В рамках своих экспериментов по более эффективному использованию квантовых свойств света для зондирования исследователи использовали яркие двойные лучи света для зондирования четырехсенсорной квадрантной плазмонной решетки — сенсорной системы, состоящей из четырех отдельных датчиков, расположенных в квадрантной схеме.
Опираясь на свою предыдущую работу по плазмонному зондированию, их выводы показывают, что возможно независимо и одновременно измерять локальные изменения показателя преломления для всех четырех датчиков с квантовым преимуществом. Это позволяет зондировать датчики одновременно, а не последовательно или поочередно, что необходимо для таких исследований, как обнаружение темной материи или визуализация. Исследование привело к квантовому повышению чувствительности для всех четырех датчиков в диапазоне от 22% до 24% по сравнению с соответствующей классической конфигурацией.
«Обычно вы используете тот факт, что у вас есть корреляции во времени, и пользуетесь преимуществами уровней шума ниже классического предела, то есть сжатием, чтобы улучшить измерение и получить квантовое улучшение», — сказал исследователь ORNL Альберто Марино. «В этом случае мы объединили как временные, так и пространственные корреляции, чтобы исследовать несколько датчиков одновременно и получить одновременное квантовое улучшение для всех из них».
Марино, который является руководителем группы квантовых датчиков и вычислений в ORNL и имеет должность преподавателя в Университете Оклахомы, добавил, что целью этого исследования было извлечь значительно больше информации из системы, сохранив при этом квантовое преимущество.
Одной из областей, где это будет использоваться на практике в лаборатории, является обнаружение темной материи, которая, по мнению ученых, является неучтенной материей, простирающейся по всей Вселенной. Этот тип материи не взаимодействует со светом, но оказывает гравитационное воздействие, поэтому для обнаружения темной материи требуются большие массивы датчиков из-за ее слабого взаимодействия со стандартной материей.
«Теперь у нас есть проект, в котором мы занимаемся обнаружением темной материи, для которого потребуется массив датчиков», — сказал Марино. «Наша работа по параллельному квантовому зондированию сыграет там важную роль, поскольку это первый шаг к одновременному зондированию нескольких датчиков, и он позволит нам выйти за рамки нашей текущей работы с одним оптомеханическим датчиком».
Для обнаружения темной материи команда ORNL в настоящее время использует квантовые состояния света для повышения чувствительности оптомеханического датчика на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). Свет используется для измерения ускорения, которое передается MEMS в результате ожидаемого взаимодействия с темной материей. В дальнейшем источник будет оптимизирован для содержания как можно большего количества независимо квантово-коррелированных областей или областей когерентности. Каждая из этих областей когерентности затем будет использоваться для зондирования датчика в массиве.
«Например, сочетание параллельного квантово-усиленного зондирования и плазмонных датчиков может позволить улучшить обнаружение нескольких патогенов в крови одновременно, поскольку каждый датчик в массиве будет обнаруживать разные объекты», — сказал Марино.
