물리학에 잠시 관심을 갖고 있는 거의 모든 사람들은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 가장 유명한 가정에서는 입자의 운동량과 위치를 동시에 아는 데 있어서의 근본적인 불확실성과 관련이 있습니다. 불확실성의 곱에는 하한이 있습니다. 한 값 측정의 정밀도를 높이면 일반적으로 다른 값의 정밀도가 떨어집니다. 양자 한계에 접근하는 것조차 까다롭지만, 전 세계 연구자들은 한계에 도달할 때까지 측정 기술을 개선하기로 결심했습니다. 이 근본적인 문제에 대한 조사로 인해 양자 계측 분야가 탄생했습니다.
Shanghai Jiao Tong University의 한 팀은 최근에 연구 결과를 발표했습니다. 자연 통신 양자 계측 분야의 엄청난 발전을 자세히 설명합니다. 연구를 가속화하기 위해 그룹 구성원은 다음을 사용하고 있습니다. Moku:Lab, 14개 이상의 소프트웨어 정의 계측기를 제공하는 FPGA 기반 테스트 및 측정 장치입니다. 활용 스펙트럼 분석기 및 락인 증폭기 연구팀은 양자역학으로 인한 근본적인 한계를 완화하고 다중 매개변수 추정의 정밀도를 향상시키는 영리하고 새로운 방법을 발견했습니다.
난제
양자 계측학은 양자 역학의 개념, 특히 중첩과 얽힘의 개념을 활용하여 고전적 한계를 넘어 측정의 정확도를 향상시키는 물리학 연구 분야입니다. 양자 계측의 초석은 양자 매개변수 추정(QPE) 개념입니다.
QPE 프로세스는 그림 1에 자세히 설명되어 있습니다. 탐침 상태는 최종 상태라고 불리는 진화를 겪는다. 매개변수화된 상태. 국가의 진화에 기여하는 요인에 대한 정보( 매개 변수)는 매개변수화된 상태를 측정하여 추론할 수 있습니다. 측정값을 신중하게 선택하면 연구원은 QCR(Quantum Cramér-Rao) 경계라고 하는 허용된 최대 정밀도로 하나 이상의 매개변수를 추정할 수 있습니다. 그러나 추정된 매개변수가 양립 할 수없는또는 통근하지 않는 경우 측정에 훨씬 더 엄격한 제한이 적용되며 관련된 모든 매개변수에 대한 QCR 경계를 달성할 수 없습니다. 호환되지 않는 매개변수의 가장 잘 알려진 조합은 위치와 운동량이므로 프로브 상태가 위치와 운동량 이동을 모두 겪는 경우 매개변수 값을 모두 최적의 정밀도로 결정할 수 없습니다.
그림 1: 양자 매개변수 추정 측정 순서. 출판물에서 재현된 그림1.
해법
Guihua Zeng 교수 그룹의 연구원들은 기본 물리학이 그 어느 때보다 엄격하지만 프로브 상태를 조작함으로써 한계를 완화할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 먼저 팀은 수평(H) 및 수직(V) 편광을 고전적인 0과 1 상태로 갖는 레이저 빔의 중첩 상태를 사용하여 프로브를 만들었습니다. 그런 다음 그림 2에 표시된 것처럼 프로브 상태를 MZI(Mach-Zehnder 간섭계)로 보냈습니다.
그림 2: 팀의 실험에 사용된 Mach-Zehnder 간섭계. Moku:Lab 스펙트럼 분석기 및 Lock-in Amplifier 기기가 표시됩니다. 출판물에서 재현된 그림1.
MZI는 PBS(편광 빔 분할기)를 사용하여 신호를 두 개의 경로로 분할한 후 나중에 다른 빔 분할기를 통해 재결합합니다. 재결합되면 두 빔은 상대 위상에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 하게 됩니다. 그런 다음 신호는 두 개의 광자에 의해 수집됩니다.텍터스(PD). 이를 통해 연구자들은 빔 경로 간의 차이를 추론할 수 있습니다. 한쪽 팔에는 MZI 팀은 압전 장치를 배치하여 빔 작은 변위와 각도 회전 - 위치와 운동량 모두에서 "킥"입니다. 이러한 매개변수의 크기는 일반적으로 최종 상태를 측정하고 이를 초기 프로브 상태와 비교하여 개별적으로 결정될 수 있습니다. 그러나 위치와 운동량은 호환되지 않는 매개변수이므로 둘 다 최적의 정밀도로 동시에 측정할 수 없습니다.
팀이 생각해낸 해결 방법은 전통적인 가우스 레이저 빔 프로파일에서 벗어나는 것이었습니다. 팀은 고차 HG(Hermite-Gaussian) 레이저 빔 프로파일을 프로브 상태로 사용한다는 것은 압전 장치가 운동량 및 위치 킥의 더 큰 변화를 시스템에 전달하여 호환되지 않는 매개변수를 더 정확하게 추정할 수 있음을 의미한다는 것을 발견했습니다. 빔의 모드 수를 늘리면 그림 3에서 볼 수 있듯이 양자 한계에 더 가깝게 접근할 수 있습니다.
그림 3: 다중 매개변수 추정. 운동량(y축)과 위치(x축)의 측정된 분산 플롯입니다. 점선은 최소한의 정밀도로 매개변수를 측정할 수 있는 이상적인 시나리오에 해당합니다. Hermite-Gaussian 빔의 모드 수를 늘리면 실험 결과(노란색 점)가 양자 한계(빨간색 점)에 가까워집니다. 출판물에서 재현된 그림1.
그룹의 노력의 일환으로 Ph.D. 학생 Binke Xia는 Moku:Lab을 활용했습니다. 스펙트럼 분석기 및 락인 증폭기 측정 체인의 계측기. 잠금 증폭기는 분기 간의 경로 차이를 측정하여 간섭계 교정을 지원합니다. 포토다이오드가 복조된 간섭계 신호를 수집하여 Moku:Lab으로 전달한 후 스펙트럼 분석기는 신호 대 잡음비(SNR)를 실시간으로 분석합니다. SNR의 크기는 빔의 위치 및 운동량 이동 크기와 관련이 있습니다.
Xia는 “SNR의 실시간 계산이 중요했습니다. "이를 통해 우리는 시간에 민감한 측정을 수행할 수 있었습니다."
결과
하이젠베르크의 불확정성 원리는 완전히 뒤집힐 수 없지만, 양자 다중 매개변수 추정과의 연결에서는 진전이 이루어졌습니다. 연구팀은 고차 에르미트-가우스 상태를 프로브로 활용함으로써 각각 1.45 nm 및 4.08 nrad까지 놀라운 정밀도로 빛의 공간 변위와 각도 기울기를 동시에 추정하는 데 성공했습니다.
팀은 이러한 측정을 더욱 개선하기 위해 검색에서 Moku 장치의 미래를 봅니다. 최근 Xia는 그룹의 새로운 기능을 더 많이 구현하는 방법을 모색하고 있습니다. Moku:Pro 맞춤형 알고리즘 개발을 포함한 그의 실험에 Moku 클라우드 컴파일. 그는 또한 다음을 사용하기를 기대하고 있습니다. 레이저 락 박스 양자 계측 분야 전체에 유용한 도구가 될 수 있다고 밝혔습니다.
그림 4. 광학 테이블의 QPE 측정 설정에 통합된 Moku:Pro(상단 랙에 위치). 사진 제공: 상하이교통대학교
Xia는 "광 공동 잠금 및 기타 정밀 측정과 같은 진행 중인 실험에 유용합니다."라고 말했습니다. "우리는 특히 여러 레이저 캐비티를 동시에 잠그는 데 사용할 수 있는 Moku:Pro에 이를 배포하고 싶습니다."
자세히 알아보려면 팀의 기사를 읽어보세요. 자연 통신.
혹시 궁금하신 점이 있으십니까?
지식 베이스를 통해 자주 묻는 질문들에 대한 답변을 확인하십시오
장치 기능이나 장비 기능에 대해 질문이 있는 경우 당사의 광범위한 내용을 확인하십시오. 기술 자료 당신이 찾고 있는 답을 찾기 위해. 인기 기사를 빠르게 확인하고 제품이나 주제별로 검색 범위를 좁힐 수도 있습니다.
사용자 포럼에 가입하시어 연락을 받으십시오
새로운 기능을 요청하고 싶으신가요? 공유할 지원 팁이 있나요? 사용 사례 예시부터 새로운 기능 발표 등에 이르기까지 사용자 포럼 제품 업데이트는 물론 Liquid Instruments 및 글로벌 사용자 커뮤니티와의 연결을 위한 원스톱 상점입니다.
각주
[1] B. Xia, J. Huang, H.Li, H. Wang, G. Zeng, Nat. 커뮤니케이터. 14, 1021, (2023).
