用量子光消除显微镜信号中的噪声

能源部橡树岭国家实验室的研究人员利用量子光学技术开发了最先进的显微镜技术，为检测材料特性提供了比传统工具更灵敏的检测方法。

ORNL材料科学技术部的本劳里(Ben Laurie)说：“我们展示了如何利用压缩光(量子信息科学的重要工具)作为显微镜的实用资源。”ORNL材料科学技术部的本劳里领导了这项研究。“我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移，其灵敏度优于标准量子限。”

与今天的经典显微镜不同，帕瑟和劳里的量子显微镜需要量子理论来描述它们的灵敏度。ORNL显微镜中的非线性放大器会产生一种特殊的量子光源，称为压缩光。

“想象一个模糊的画面，”猫说。“太吵了，隐藏了一些细微的细节。经典而嘈杂的灯光让你看不到这些细节。“压缩”版本不那么模糊，可以揭示因噪音而不可见的微妙细节。”他补充说：“我们可以使用压缩光源代替激光来降低传感器读数中的噪音。”

原子力显微镜的微悬臂梁是一种微跳水板，它可以对样品进行有序扫描，并在感知物理变化时弯曲。通过学生实习生尼克萨维尼奥(Nick Savigno)、艾玛巴特森(Emma batson)、杰夫加西亚(Jeff Garcia)和雅各布贝克(Jacob Baker)、劳里(Laurie)和普瑟(Puser)的实验表明，他们发明的量子显微镜能够以比传统方法高50%的灵敏度测量微悬臂梁的位移。一秒的长时间测量，量子增强的灵敏度为1.7飞秒，约为碳核直径的两倍。

普瑟说：“压缩光源已经被用来提供量子增强的灵敏度，以探测黑洞合并产生的引力波。”“我们的工作是帮助这些量子传感器从宇宙尺度转换到纳米尺度。”

他们的量子显微镜方法依赖于对光波的控制。当波合并时，它们会产生相长干涉，这意味着峰值振幅的总和会使产生的波更大。否则，它们会造成相消干涉，也就是说会从峰值振幅中减去谷值振幅，从而使产生的波变小。这种效应可以在池塘中的波浪或类似激光的电磁波中看到。

劳里说：“干涉仪先将光束分开，然后将两束光混合在一起，测量相位的微小变化，这种变化会影响两束光的组合。”“我们利用非线性干涉仪和非线性光放大器进行分离和混合，从而达到传统方法难以达到的灵敏度。”

在跨学科研究中，这发表在《物理评论快报》，是非线性干涉的首次实际应用。

海森堡的测不准原理是量子力学中众所周知的一个方面，它使得人们无法绝对确定地定义粒子的位置和动量。光的振幅和相位之间也有类似的不确定关系。

这一事实给依赖经典光源(如激光)的传感器带来了一个问题：它们所能达到的最高灵敏度使海森堡测不准关系最小化，各变量的不确定度相等。压缩光源减少了一个变量的不确定性，增加了另一个变量的不确定性，从而“压缩”了不确定性分布。为此，科学界一直在用挤压来研究大大小小的现象。

这种量子传感器的灵敏度通常受到光损耗的限制。Poser说，“压缩态是脆弱的量子态。”在这个实验中，我们可以用纠缠来解决这个问题。纠缠是指有独立行为的物体。爱因斯坦称之为“从远处看的怪异行为”。在这种情况下，光束的强度在量子水平上彼此相关。

“由于纠缠，如果我们测量一束光的功率和光，它将使我们能够预测另一种能力，而不用测量它，”他继续说。“由于纠缠，这些测量的噪声更小，这为我们提供了更高的信噪比。”

ORNL的量子显微镜方法与任何通常使用激光读取信号的优化传感器有着广泛的联系。劳里说：“例如，可以用非线性干涉仪代替传统的干涉仪，实现生化传感的量子增强灵敏度、暗物质的探测或物质磁性的表征。”

这篇论文的题目是“量子增强原子力显微镜的截断非线性干涉方法”。