Zespół naukowców wykazał najwyższą czułość, na jaką pozwala fizyka kwantowa, w pomiarze opóźnienia czasowego między dwoma fotonami.

Mierząc ich interferencję na rozdzielaczu wiązki za pomocą pomiarów próbkowania z rozdzielczością częstotliwościową, zespół wykazał, że w ramach obecnej technologii można osiągnąć niespotykaną precyzję z błędem w oszacowaniu, który można dodatkowo zmniejszyć, zmniejszając fotoniczną szerokość pasma czasowego.

Ten przełom ma istotne implikacje dla szeregu zastosowań, w tym bardziej wykonalnego obrazowania nanostruktur, w tym próbek biologicznych, i powierzchni nanomateriałów, a także estymacji wzmocnionej kwantowo w oparciu o próbkowanie bozonów z rozdzielczością częstotliwościową w sieciach optycznych.

Badania przeprowadził zespół naukowców z University of Portsmouth, kierowany przez dr Vincenzo Tammę, dyrektora Uniwersyteckiego Quantum Science and Technology Hub. Wyniki badań są publikowane w czasopiśmie Zastosowano ocenę fizyczną.

Dr Tamma powiedział: „Nasza technika wykorzystuje interferencję kwantową występującą, gdy dwa pojedyncze fotony padające na dwie powierzchnie rozdzielacza wiązki są nie do odróżnienia, gdy mierzy się je w kanałach wyjściowych rozdzielacza wiązki. Jeśli przed uderzeniem w rozdzielacz wiązki jeden foton jest opóźniony w czasie w stosunku do drugiego, przechodząc przez próbkę lub będąc przez nią odbijany, można uzyskać w czasie rzeczywistym wartość takiego opóźnienia, a tym samym strukturę próbki, badając interferencję kwantową fotonów na wyjściu próbki rozdzielacz wiązki.

„Pokazaliśmy, że największą precyzję pomiaru opóźnienia czasowego uzyskuje się, rozwiązując taką interferencję dwufotonową, wykonując pomiary próbkowania dwóch fotonów w ich częstotliwościach. Rzeczywiście, zapewnia to, że dwa fotony pozostają całkowicie nierozróżnialne w detektorach, niezależnie od ich opóźnienie przy dowolnej wartości ich próbkowanych częstotliwości wykrytych na wyjściu”.

Zespół zaproponował zastosowanie interferometru dwufotonowego do pomiaru interferencji dwóch fotonów w rozdzielaczu wiązki. Następnie wprowadzili technikę opartą na pomiarach próbkowania z rozdzielczością częstotliwości, aby oszacować opóźnienie czasowe między dwoma fotonami z najlepszą możliwą precyzją dozwoloną przez naturę iz rosnącą czułością przy zmniejszaniu fotonicznej szerokości pasma czasowego.

Dr Tamma dodał: „Nasza technika pokonuje ograniczenia poprzednich technik interferencji dwufotonowej, nie uzyskując informacji o częstotliwościach fotonicznych w procesie pomiarowym.

„Pozwala nam to na eksperymentalne wykorzystanie fotonów o najkrótszym czasie trwania bez wpływu na rozróżnialność fotonów opóźnionych w czasie w detektorach, a tym samym maksymalizację precyzji oszacowania opóźnienia z niezwykłą redukcją liczby wymaganych par fotonów. pozwala na stosunkowo szybką i wydajną charakterystykę danej próbki, torując drogę do zastosowań w biologii i nanoinżynierii”.

Zastosowania tych przełomowych badań są znaczące. Ma potencjał znacznej poprawy obrazowania nanostruktur, w tym próbek biologicznych, oraz powierzchni nanomateriałów. Ponadto może to prowadzić do estymacji wzmocnionej kwantowo na podstawie częstotliwościowo-rozdzielczego próbkowania bozonów w sieciach optycznych.