PRL：全新频率梳技术，实现传感领域的“量子优势”

光子盒研究院出品

近日，布里斯托大学物理学家Alexandre Belsley提出了新的量子传感方法，该方法建立在2005年诺贝尔物理学奖获得者John Hall和Theodor Hänsch的工作基础上，他们开发了一种频率梳技术来精确测量光频率。

目前，该研究成果发表于Physical Review Letters上。

频率梳被部署在科学和工业的许多领域，以根据吸收光的独特方式来表征物质。这种更精确地检测和表征分子的创新新技术，为环境监测、医学诊断和工业过程的重大进步铺平了道路。
 光谱学是一种精确和多功能的工具来探测物质，在过程控制、化学分析和环境监测中具有关键的应用。气相吸收曲线的精确表征提供了关于气体组成、温度、压力和速度的重要物理信息。直接吸收光谱学可以使用高分辨率，可调谐的激光二极管在近红外和中红外中进行。
这种技术虽然很常见，但容易受到激光强度波动、低频噪声源和杂散干扰效应的影响，这些影响限制了信噪比(SNR)，并使采集的光谱的分析复杂化。 在此次新研究中，团队提出了一种传感策略，将在弱调制区域中使用压缩光的优势扩展到通过采用更高的调制深度而产生的更宽的频率梳。
这使得人们能够在一个密集的、离散的频率集合下采样更宽的分子吸收谱，而不需要扫描入射激光器或调制频率。

图 1 光学频率梳探测气体分子的图示

该检测方案通过局部振荡器(LO)场的振幅来放大信号，并通过减去两个光电二极管电流来避免相关的散粒噪声的影响。此外，还可以同时测量不同侧边带上的传输情况。在与低气体浓度相关的高传输极限下，团队发现信噪比与压缩因子呈指数关系。
对于10 dB的压缩能级，预测了超过标准量子极限的数量级增强。 团队所考虑的传感策略如图2所示。宽带压缩真空被相干态取代，然后进行相位调制，产生压缩频率梳。这种探针态与希望描述其吸收性质的气体相互作用。然后用零差检测器和频谱分析仪来检测传输场。

图 2 传感策略示意图，其中挤压梳探测具有频率相关传输 η 的气体。探测器是通过使用高反射分束器 (BS) 和相位调制器 (PM) 将宽带压缩真空态 |ξ⟩ 替换为相干态 |α⟩ 而生成的。检测系统由一个平衡零差检测器 (HD) 和一个相位可调本地振荡器 (LO) 以及随后的频谱分析仪 (SA) 组成。

作为案例，团队考虑探测了乙炔的物质C₂H₂ν₁+ν₃旋转振动带，长度约为1530nm。乙炔是高度可燃的，在焊接和切割方面具有工业应用。利用HITRAN数据库的数据，绘制了路径长度为L=1cm，总压为1atm时的P9线的传输曲线。
在实践中，通过在不同的调制深度(M)值下重复实验，可以获得整个传输轮廓的更高的信噪比。此外，还可以通过调节调制频率Ω来调节梳状齿的密度。

图 3 (a)乙酰胺的ν₁+ν₃旋转振动P9传输线（黑色），频率由17齿梳采样，调制频率为Ω=1 GHz（红色）。针对调制深度的齿梳振幅。(b) M=2和(c) M=5的齿梳振幅。
 

图 4 在1‰分压和1 cm路径长度下探测乙炔的P9线时，不同压缩水平的输入相干态振幅|α|的信噪比归一化；在实践中，信噪比直接与|α|相关。在信噪比中的量子优势作为压缩能级的函数，团队假设了理想的检测。
 总之，团队提出了量子增强吸收光谱方法，其中一个给定的气体被一个明亮的压缩频率梳探测。
团队预测在压缩水平为10 dB时，信噪比会提高一个数量级。这将允许人们检测到浓度比经典输入探头低一个数量级的环境气体的存在。值得注意的是，对于量子优势最大时的弱吸收，所提出的测量方案对整个吸收剖面的色散效应是稳健的。

这种新颖的方法有可能使检测限提高十倍以上。除了允许在超低浓度下表征不同类型的气体外，它还可以高灵敏度地确定温度和压力等重要特性。 原文作者、量子工程博士生 Alex Belsley 表示：“这项工作提出了一种原位高精度监测气体种类的新方法。可以实现传感领域的量子优势，我很高兴量子增强传感器在未来几年对我们的社会产生变革性影响。” 布里斯托大学量子工程技术实验室联合主任兼Alex Belsley的博士生导师Jonathan Matthews教授提到：“更好的传感器对我们的未来很重要。医疗保健、制造、环境监测和新科学本身，都受益于我们测量物理特性的方法的进步。Alex的工作展示了压缩光如何改善频率梳光谱——下一步将通过实验室的实验进一步探索。” 参考文献：[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.133602[2]April: Quantum sensing | News and features | University of Bristol

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