纠缠可以改善光学传感器性能

在研究人员的新系统中，将返回光束与局部存储的光束混合，并且它们的相位或振荡周期的相关性有助于去除由与环境相互作用引起的噪声。

MIT的一项新研究表明，即使在没有与环境的相互作用中，纠缠可以提高光学传感器的性能。

量子信息处理的非凡承诺 - 解决古典计算机不能，完全安全通信的问题取决于称为“缠结”的现象，其中不同量子颗粒的物理状态变得相互关联。但纠缠非常脆弱，并且保留的难度是开发实用量子信息系统的主要障碍。

在自2008年以来的一系列论文中，MIT的MIT研究实验室的光学和量子通信集团的成员认为，使用纠缠光的光学系统可以优于经典的光学系统 - 即使纠缠突破。

两年前，他们展示以纠缠光源开头的系统可以提供更有效的保护光通信的方法。现在，在一个纸张集中出现在物理评论信中，他们表明纠缠也可以提高光学传感器的性能，即使它不会与环境的互动生存。

“这是遗失的事情在这一领域的理解中缺失，”这本文的共同作者和杰弗里·乔里·朱利叶斯·斯皮苏罗（Jeffrey Shapiro）之一高级研究科学家Franco Wong电气工程，光学和量子通信组的共同主任。“他们觉得，如果不可避免的损失和噪音使光线变得完全古典，那么就没有任何东西来开始使用量子。因为它如何帮助？这个实验表明的是，是的，它仍然可以有所帮助。“

逐步淘汰

纠缠意味着一个粒子的物理状态限制了另一个粒子的可能状态。例如，电子具有称为旋转的属性，其描述了它们的磁向。如果两个电子在相同距离处绕原子的核，则它们必须具有相反的旋转。即使电子离开原子轨道，这种旋转纠缠也可以持续存在，但与环境的交互快速地打破它。

在麻省理工学院研究人员的系统中，两个光束缠绕，其中一个光线通过光纤储存在本地 - 赛中 - 而另一个被投射到环境中。当来自投影光束的光 - “探测” - 被反映回来时，它带有关于它遇到的对象的信息。但这种光线也被工程师称之为“噪音”的环境影响损坏。用本地存储的光束重新组合它有助于抑制噪声，恢复信息。

局部光束可用于噪声抑制，因为其相位与探针的相位相关。如果您认为光作为波浪，则具有常规的嵴和槽，如果它们的嵴和槽重合，则两个光束处于阶段。如果一个人的嵴与另一个槽对齐，则它们的相位是反相关的。

但光也可以被认为是由颗粒或光子组成。并且在粒子水平，阶段是MURKIER概念。

“经典上，您可以准备完全相反的梁，但这只是平均有效的概念，”光学和量子通信组的邮政编划，第一个作者上的Zheshen Zhang说。“平均而言，它们相反，但量子力学不允许您精确测量每个渗透光子的阶段。”

提高赔率

相反，量子力学统计地解释阶段。给定两个光子的特定测量，从两个单独的光束，有一些概率是梁的相位相关。测量的光子越多，光束要么相关的确定性就越大。在纠缠的光束上，那些确定性比古典梁的速度迅速增加。

当探测光束与环境相互作用时，它累积的噪声也增加了随后的相位测量的不确定性。但这是古典梁的真实，因为它是缠结的光束。因为缠绕的光束以更强的相关性开始，所以即使噪音导致它们在古典限度内倒回时，它们也比在同样的情况下比古典梁更好。

“向目标和反射然后从目标返回并通过相同因素衰减探头和参考光束之间的相关性，无论您是否在量子限制或在古典限制时开始，”Shapiro说。“如果您从大于经典案例大的Quantum ukias，那么相对优势保持不变，即使两个波束由于损失和噪音而变得经典。”

在实验中，比较使用缠结光和古典光的光学系统的光学系统发现，纠缠光系统增加了信噪比 - 测量可以从反射探针重新覆盖多少信息的量。与他们的理论预测相吻合。

但该理论还预测，实验中使用的光学设备的质量的改进也可以增加或许甚至是四重信噪比。由于检测误差以信噪比指数呈指数下降，因此可以转化为敏感性的百万倍。

“这是一个突破，”英格兰大学计算机科学副教授Stefano Pirandola说。“主要技术挑战之一是对量子照明的实际接收器的实验性实现。Shapiro和Wong通过实验实施了一个量子接收器，这不是最佳的，但仍然能够证明量子照明优势。特别是，他们能够克服与惰梁的光学存储中的损失相关的主要问题。“

“这项研究可能导致Quantum LiDar的发展，能够在非常嘈杂的背景中发现几乎看不见的物体，”他补充道。“实际上，量子照明的工作机制也可以在短距离下被利用，以便用生物医学中的潜在应用来开发量子传感的非侵入性技术。”

出版物：接受的物理评论信

研究报告的PDF副本：在有损和嘈杂的环境中纠缠增强的感应

图像：荷西-路易斯·奥利瓦雷斯/麻省理工学院