2019-05-16 21:46:01
纠缠光子陀螺仪克服了经典极限

测量飞机和其他运动物体的旋转和方向的光纤陀螺仪在使用普通经典光时其精度固有地受到限制。在一项新的研究中,物理学家首次通过实验证明,使用纠缠光子克服了这种经典极限,称为散粒噪声极限,并达到了经典光线无法达到的精度水平。

由奥地利科学院和维也纳量子科学与技术中心的Matthias Fink和Rupert Ursin领导的物理学家在最近一期“新物理学报”上发表了一篇关于纠缠增强光纤陀螺的论文。

“我们已经证明,纠缠光子的产生已经达到技术成熟水平,使我们能够在恶劣的环境中以次级噪声精度进行测量,”Fink告诉Phys.org。

光纤陀螺仪(FOG)类似于常见的作为玩具出售的旋转陀螺仪,因为两种类型的陀螺仪都可以测量物体的旋转。然而,这两个设备使用不同的机制操作:FOG没有移动部件,而是使用光进行测量。

虽然旋转陀螺仪是在19世纪开发的,但是FOG是在20世纪70年代后期引入的,它基于1913年Georges Sagnac首次观察到的Sagnac效应。当时,Sagnac希望能够检测出光的以太介质。他的想法是传播,但他的实验成为支持相对论的基本测试之一。

当两个光束在干涉仪中以不同方向环绕环行进时,产生Sagnac效应。当干涉仪处于静止状态时,两个光束都需要相同的时间来穿过环,但是当干涉仪开始旋转时,在旋转方向上围绕环移动的光束将移动更长的距离,因此需要更多时间,到达探测器比其他光束。该时间差导致两个光束之间的相位差。

FOG可以测量该相位差的精度决定了整体旋转测量的精度。 FOG的精度受到多种噪声源的限制,主要因素是散粒噪声。由于光子的量子化而产生散粒噪声。当单个光子穿过器件时,它们的离散性质意味着流动不是非常平滑,导致白噪声。尽管可以通过增加功率(光子通过的速率)来降低散粒噪声,但是更高的功率会增加其他类型的噪声,从而导致折衷。

为了克服散粒噪声限制,在新的研究中,物理学家使用了两种模式叠加的纠缠光子对,这样两个纠缠光子都能有效地在两个方向上穿过环。纠缠导致光子的德布罗意波长显着减小,这反过来导致超过散粒噪声极限的精度,并且等效地超过使用经典光可能的最佳精度。

在目前的状态下,新的FOG由于其较低的功率而未能与商用(经典)FOG设备竞争,这是所使用的检测器的结果。研究人员预计,探测器技术的进步和更明亮的光子源将使得纠缠光子FOG在不久的将来可用于应用。总的来说,他们希望目前的结果是实现光纤陀螺仪最终灵敏度限制的重要的第一步。

“一个有趣的问题是,除了散粒噪声之外,其他噪声源可以通过使用优化的光子态来减少或补偿,”Fink说。 “这些问题的答案可以在这种影响变得显着的强度下进行实验评估。”

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