物理學(xué)家研發(fā)在量子極限下工作的可量產(chǎn)光子傳感器能用于環(huán)境、癌癥等高精度監(jiān)測

當代社會，傳感器遍布安全和環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、自動駕駛等眾多領(lǐng)域，在社會生活中發(fā)揮著記錄重要信息等關(guān)鍵作用。

而量子傳感有望大幅提高現(xiàn)有傳感器的性能，使其能夠更準確和快速地測量物理量，并將對多方面的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。

近日，英國布里斯托大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個物理學(xué)家團隊宣稱，他們證明“利用一種環(huán)形諧振器，可以在不需要復(fù)雜的光量子態(tài)和探測方案的情況下對重要物理性質(zhì)進行高精度測量”。據(jù)了解，該環(huán)形諧振器能采用當前的半導(dǎo)體工藝進行批量制造，有望被實際應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、超聲成像、抗體譜和癌癥檢測等領(lǐng)域。

在商業(yè)代工廠中納米制造的具有微環(huán)諧振器的光子芯片

量子信息科學(xué)的理論和實際應(yīng)用是當今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最激動人心的研究活動之一。

研究人員表示：“光的量子態(tài)已被證明可以提高在經(jīng)典策略之上的吸收估計的精度。但目前大多數(shù)量子傳感方案依賴于光的特殊糾纏或壓縮狀態(tài)及難以產(chǎn)生和檢測的物質(zhì)，這是量子極限傳感器功能得以全部利用和實際部署的主要障礙。”

目前，使用光學(xué)環(huán)形諧振器檢測和表征分析物已被應(yīng)用于廣泛的場景，如氣體傳感、機械應(yīng)變的測量和生化分析。但利用這些結(jié)構(gòu)估計被分析物性質(zhì)在量子計量學(xué)中的基本極限幾乎還未被具體研究。

量子計量學(xué)試圖確定和達到估計物理參數(shù)的基本量子極限（量子尺度下測量精度的極限），主要是識別在等效資源集上優(yōu)于經(jīng)典傳感方案的量子策略，例如，給定探針光子的平均數(shù)量，非經(jīng)典態(tài)被用于提高在干涉測量、磁測量和光譜學(xué)等各種應(yīng)用中的相位和吸收精度估計。

本研究的一個目標是量化具有經(jīng)典光源的工程光子電路是否能在標準單通方案中優(yōu)于非經(jīng)典狀態(tài)探針。與單通策略相比，諧振光腔由于光強度的增強和相互作用數(shù)量的增加而擴大了提高精度的前景。

據(jù)了解，研究人員采用的系統(tǒng)是一個由環(huán)形諧振器耦合的全通環(huán)形諧振器，其可極大提高光線與樣本的相互作用。

當分析物迅速耦合到全通環(huán)形諧振器而使吸收系數(shù)和折射率產(chǎn)生改變時，研究人員量化了這些精度增益的大小，并利用量子估計理論，確定了對單模高斯探測狀態(tài)產(chǎn)生最高可能精度的實驗參數(shù)。

在最優(yōu)工作點上，他們發(fā)現(xiàn)使用強壓縮態(tài)比相干態(tài)探針沒有任何優(yōu)勢，以及全通環(huán)形諧振器系統(tǒng)中的相干態(tài)探針在量子學(xué)方面好于單通策略探針。

全通環(huán)形諧振器

結(jié)果表明，工程光子電路是一個在提高參數(shù)估計精度方面十分有前景的技術(shù)。研究人員提到：“利用該技術(shù)來感測吸收系數(shù)或折射率的變化，可用于識別和表征各種材料和生化樣品?！?/p>

量子工程技術(shù)實驗室博士生、論文第一作者亞歷克斯·貝爾斯利說：“我們離所有集成光子傳感器在量子力學(xué)規(guī)定的檢測極限下運行又近了一步。”

據(jù)了解，量子工程技術(shù)實驗室成立于2015年，目前有著來自布里斯托大學(xué)物理和電氣與電子工程學(xué)院的一百多名研究人員，致力于加速量子技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)使用量子現(xiàn)象的新功能和硬件，包括“量子計算硬件、量子通信、增強傳感和成像的新途徑，以及研究基礎(chǔ)量子物理學(xué)的新平臺等”。其目標是通過和世界上一些優(yōu)秀的量子初創(chuàng)企業(yè)合作，將量子科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶出實驗室服務(wù)社會。該實驗室一個關(guān)鍵的支撐技術(shù)平臺是集成量子光子學(xué)，它在一定程度上改變了世界各地的量子實驗。集成量子光子學(xué)使用光子集成電路來控制光量子態(tài)，為光學(xué)量子電路的小型化和放大提供了一種有前途的方法，可應(yīng)用于量子計算、量子通信、量子模擬等方面。