光子传感器成功突破量子极限
光子盒研究院出品
量子技术有望彻底改变当今的传感器，通过更精确、更快速、更可靠的物理量测量显著提高它们的性能。然而，大多数量子传感方案依赖于难以产生和检测的光或物质的特殊纠缠态或压缩态，这是利用量子传感器的功能并将其部署在现实场景中的主要障碍。
英国布里斯托大学、巴斯大学和华威大学的联合团队找到了一种在量子极限下操作大规模可制造的光子传感器的方法，并证明了在不需要复杂的光量子态和探测方案的情况下，可以对重要的物理性质进行高精度测量。
6月6日，相关研究成果以《环形谐振器中相干态相对于任何量子探针单程吸收估计策略的优势》[1]为题，发表在《物理评论快报》上。
在商业代工厂中制造的带有微环谐振器纳米制造的光子芯片。
这一突破的关键是使用环形谐振器——微小的跑道结构，在环路中引导光，并最大限度地使其与研究中的样品相互作用。重要的是，环形谐振器可以通过与计算机和智能手机中的芯片相同的工艺进行大规模制造。
具有自耦合系数r、往返相位ϕ的全通环形谐振器。研究团队试图估计与环形谐振器渐逝耦合的分析物的吸收系数αA或折射率nA。
与经典策略相比，光的量子态已被证明可以提高吸收估计的精度。通过利用干涉和谐振增强效应，他们表明全通环形谐振器中的相干态探针即使在通过平均输入光子数归一化时也可以优于任何量子探针单通（SP）策略。
通过由相干态探测的全通环形谐振器的平均输入光子数（蓝色）归一化的标准差ΔαA，单通（SP）策略的量子极限可通过Fock态（紫色）和相干态探针（绿色）实现。对于这两种SP策略，分析物长度随着αA的变化而不断优化。对于目标αA=10cm-1，全通环形谐振器是临界耦合的。优化自耦合系数r可进一步提高其性能（蓝色虚线）。
该团队表示，利用该技术来感测吸收或折射率的变化，可用于识别和表征各种材料和生化样品，其应用范围涵盖监测温室气体到癌症检测。
布里斯托大学量子工程技术实验室（QET）博士生、这项工作的主要作者Alex Belsley说：“我们离在量子力学施加的探测极限下工作的集成光子传感器又近了一步。”
QET实验室联合主任兼该研究的合著者Jonathan Matthews副教授表示：“我们对这一结果带来的机遇感到非常兴奋。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。”
这项研究得到了英国国家量子技术计划，量子增强成像QUANTIC英国量子技术中心，EPSRC量子工程博士培训中心和欧洲研究理事会的资金支持[2]。
关于量子工程技术实验室
QET实验室于2015年成立，其使命是将量子科学发现带出实验室，造福社会。包括量子计算硬件、量子通信、增强传感和成像以及研究基础量子物理学的新平台的新途径。QET实验室汇集了价值超过2800万英镑的项目，由物理和电气与电子工程学院的100多名学者、员工和学生组成。
参考链接：
[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.230501
[2]https://www.bristol.ac.uk/news/2022/june/photonic-sensors.html