物理学家研发在量子极限下工作的可量产光子传感器，能用于环境、癌症等高精度监测
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麻省理工科技评论-物理学家研发在量子极限下工作的可量产光子传感器，能用于环境、癌症等高精度监测
当代社会，传感器遍布安全和环境监测、医疗保健、自动驾驶等众多领域，在社会生活中发挥着记录重要信息等关键作用。
而量子传感有望大幅提高现有传感器的性能，使其能够更准确和快速地测量物理量，并将对多方面的科学和技术领域产生变革性影响。
近日，英国布里斯托大学领导的一个物理学家团队宣称，他们证明“利用一种环形谐振器，可以在不需要复杂的光量子态和探测方案的情况下对重要物理性质进行高精度测量”。据了解，该环形谐振器能采用当前的半导体工艺进行批量制造，有望被实际应用于环境监测、超声成像、抗体谱和癌症检测等领域。
6 月 6 日，相关论文以《环形谐振器中相干态相对于任何量子探针单通吸收估计策略的优势》（Advantage of Coherent States in Ring Resonators over Any Quantum Probe Single-Pass Absorption Estimation Strategy）为题发表在 Physical Review Letters 上[1]。
量子信息科学的理论和实际应用是当今科学技术领域最激动人心的研究活动之一。
研究人员表示：“光的量子态已被证明可以提高在经典策略之上的吸收估计的精度。但目前大多数量子传感方案依赖于光的特殊纠缠或压缩状态及难以产生和检测的物质，这是量子极限传感器功能得以全部利用和实际部署的主要障碍。”
目前，使用光学环形谐振器检测和表征分析物已被应用于广泛的场景，如气体传感、机械应变的测量和生化分析。但利用这些结构估计被分析物性质在量子计量学中的基本极限几乎还未被具体研究。
量子计量学试图确定和达到估计物理参数的基本量子极限（量子尺度下测量精度的极限），主要是识别在等效资源集上优于经典传感方案的量子策略，例如，给定探针光子的平均数量，非经典态被用于提高在干涉测量、磁测量和光谱学等各种应用中的相位和吸收精度估计。
本研究的一个目标是量化具有经典光源的工程光子电路是否能在标准单通方案中优于非经典状态探针。与单通策略相比，谐振光腔由于光强度的增强和相互作用数量的增加而扩大了提高精度的前景。
据了解，研究人员采用的系统是一个由环形谐振器耦合的全通环形谐振器，其可极大提高光线与样本的相互作用。
当分析物迅速耦合到全通环形谐振器而使吸收系数和折射率产生改变时，研究人员量化了这些精度增益的大小，并利用量子估计理论，确定了对单模高斯探测状态产生最高可能精度的实验参数。
在最优工作点上，他们发现使用强压缩态比相干态探针没有任何优势，以及全通环形谐振器系统中的相干态探针在量子学方面好于单通策略探针。
结果表明，工程光子电路是一个在提高参数估计精度方面十分有前景的技术。研究人员提到：“利用该技术来感测吸收系数或折射率的变化，可用于识别和表征各种材料和生化样品。”
量子工程技术实验室（Quantum Engineering Technology Labs，QET Labs）博士生、论文第一作者亚历克斯·贝尔斯利（Alex Belsley）说：“我们离所有集成光子传感器在量子力学规定的检测极限下运行又近了一步。”
据了解，QET Labs 成立于 2015 年，目前有着来自布里斯托大学物理和电气与电子工程学院的一百多名研究人员，致力于加速量子技术的应用，开发使用量子现象的新功能和硬件，包括“量子计算硬件、量子通信、增强传感和成像的新途径，以及研究基础量子物理学的新平台等”。其目标是通过和世界上一些优秀的量子初创企业合作，将量子科学发现带出实验室服务社会。
该实验室一个关键的支撑技术平台是集成量子光子学，它在一定程度上改变了世界各地的量子实验。集成量子光子学使用光子集成电路来控制光量子态，为光学量子电路的小型化和放大提供了一种有前途的方法，可应用于量子计算、量子通信、量子模拟等方面。
最后，QET Labs 的联合主任兼论文合著者的乔纳森·马修斯（Jonathan Matthews）副教授表示：“这一结果带来的机会令我们非常兴奋。我们现在知道如何使用大规模可制造工艺来设计在量子极限下工作的芯片级光子传感器。”
-End-
参考：
1、A.Belsley, E. Allen, A.Datta, J. Matthews.Advantage of Coherent States in Ring Resonators over Any Quantum Probe Single-Pass Absorption Estimation Strategy.Phys. Rev. Lett. 128, 230501（2022）https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.230501
https://www.bristol.ac.uk/news/2022/june/photonic-sensors.html
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