纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

  • 日期:08-03
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  光纤陀螺仪测量飞机和其他运动物体的旋转和方向,在使使用普通经典灯时,其精确度本质上是有限的。在一项新研究中,物理学家首次尝试使用纠缠光子来克服这一经典极限,即所谓的“发射噪声极限”,并实现经典光线无法达到的精度。

由奥地利科学院和维也纳量子科学与技术中心领导的物理学家Matthias Fink和Rupert Ursin在最新一期《NewJournalofPhysics》上发表了一篇关于纠缠增强光子陀螺仪的研究论文。

Matthias Fink说:我们已经证明,纠缠光子的产生已达到技术成熟度,这使我们能够在恶劣的环境中测量子镜头噪声的准确性。光纤陀螺仪(FOG)类似于普通的旋转陀螺仪,通常作为玩具出售,因为两个陀螺仪都测量物体的旋转。但是,这两种设备使用不同的机制:雾没有移动部件,但使用光来进行测量。自旋陀螺仪是在19世纪开发的,陀螺仪是在20世纪70年代后期基于1913年Georges Sagnac首次观测到的Sagnac效应而引入的。

(左)光纤陀螺实验装置和(右)光学设计。照片:Finketal.2019IOPPublishing

那时,Sagnac希望检测以太介质。人们认为光是通过以太介质传播的,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沿不同方向绕环移动时,发生Sagnac效应。当干涉仪处于静止状态时,两个光束通过环的时间是相同的,但是当干涉仪开始旋转时,沿环的方向移动的光束将比另一个光束移动得更远,从而到达探测器。时间也更长。该时间差导致两个光束之间的相位差。液滴测量的相位差的精度决定了整个旋转测量的精度。

液滴的精度受到几种噪声源的限制,噪声的主要来源是散粒噪声。由于光子的量化,产生了拍摄噪声。当单个光子通过器件时,它们的离散性意味着流动不完全平滑,导致白噪声。虽然可以通过增加功率(光子通过的速率)来降低拍摄噪声,但是更高的功率会增加其他类型的噪声,从而实现平衡。为了克服射击噪声的限制,在新的研究中,物理学家使用了一对纠缠的光子,这两个光子处于两种模式的叠加中,这样两个纠缠的光子就可以在两个方向上有效地穿过环。

纠缠导致光子的德布罗意波长显着减小,导致精度超过射击噪声极限,并且类似地,经典光的最佳精度。研究人员预计,探测器技术的进步和更亮的光子将在不久的将来使纠缠光子雾成为可能。总的来说,研究人员希望目前的结果是实现光纤陀螺仪最终灵敏度极限的重要的第一步。一个有趣的问题是,除了镜头噪声之外,还可以通过优化的光子状态来减少或补偿其他噪声源的程度。这些问题的答案可以通过实验来评估这些影响变得非常显着的强度。