量子增强的原子力显微镜：挤压灯可降低噪音

ORNL研究人员开发了一种量子或挤压的光法，用于原子力显微镜，其能够测量噪声掩盖的信号。

能源橡木岭国家实验室使用量子光学部门的研究人员推进最先进的显微镜，并照亮了一种探测材料特性，而且具有比传统工具的更大灵敏度更大的敏感性。

“我们展示了如何使用挤压光 - 量子信息科学的主力 - 作为显微镜的实际资源，”奥诺材料科技师Ben Lawrie表示，奥诺尔计算科学和工程部门的Raphael Puoser研究。“我们测量了原子力显微镜微电子，比标准量子极限更好地具有灵敏度的位移。”

与今天的古典显微镜不同，Pooser和Lawrie的量子显微镜需要量子理论来描述其敏感性。ORNL显微镜中的非线性放大器产生特殊的量子光源，称为挤压光。

“想象一下模糊的图片，”Pooser说。“这是嘈杂的，一些精细的细节是隐藏的。经典，嘈杂的灯可以阻止您看到这些细节。“挤压”版本较少模糊，并揭示了我们之前无法看到的细节，因为噪音。“他补充说：“我们可以使用挤压的光源而不是激光来减少传感器读数中的噪音。”

原子力显微镜的微电子是微型平板，其在感应物理变化时有条理地扫描样品并弯曲。对于学生实习生Nick Savino，Emma Batson，Jeff Garcia和Jacob Beckey，Lawrie和Pooser表明，他们发明的量子显微镜可以测量微电子的位移，比典型可能的灵敏度更好地具有50％的灵敏度。对于一秒的长测量，量子增强的灵敏度为1.7颌骨仪 - 大约是碳核的直径的两倍。

“挤压光源已被用于提供量子增强的灵敏度，用于检测由黑洞并购产生的引力波，”Pooser说。“我们的工作是帮助将这些量子传感器从宇宙学秤转化为纳米级。”

它们对量子显微镜的方法依赖于光波的控制。当波相结合时，它们可以在建设性地干扰时，这意味着峰的幅度加入，使得到的波浪更大。或者它们可以干扰破坏性，意味着从峰值幅度中减去谷级幅度，以使所得波变小。可以在池塘中的波或像激光器的电磁波中看到这种效果。

“干涉仪分裂，然后混合两个光束以测量影响两个光束的干扰的阶段的小变化，”劳德说。“我们采用非线性干涉器，使用非线性光放大器进行分裂和混合以实现经典难以接近的敏感性。”

跨学科研究，这是一篇内置审查信件，是非线性干涉测量的首次实际应用。

量子力学的一个众所周知的方面，Heisenberg不确定原理，使得不可能定义粒子的绝对确定性的位置和动量。存在类似的不确定性关系，用于光的幅度和阶段。

这一事实为依赖激光等古典光源的传感器创造了一个问题：它们可以实现的最高敏感性最大限度地减少了每个变量中的同等不确定性的海森伯格不确定性关系。挤压的光源在一个变量中减少了一个变量的不确定性，同时增加了其他变量中的不确定性，从而“挤压”不确定性分布。因此，科学界已经使用挤压既伟大又小的学习现象。

这种量子传感器中的灵敏度通常受到光学损耗的限制。“挤压状态是脆弱的量子状态，”Pooser说。“在这个实验中，我们能够通过利用纠缠的性质来规避问题。”纠缠意味着独立对象表现为一个。爱因斯坦称之为“距离幽灵动作”。在这种情况下，光束的强度在量子级彼此相关。

“由于纠缠，如果我们测量一个光束光束的力量，它将允许我们预测另一个光束的力量而不会测量它，”他继续。“由于纠缠，这些测量值较小，并且为我们提供了更高的信噪比。”

ORNL对量子显微镜的方法与任何优化的传感器广泛相关，传统上使用激光器用于信号读数。“例如，传统的干涉仪可以通过非线性干涉测量替换，以实现对生物化学传感，暗物质检测或材料磁性特性的量子增强的灵敏度，”Lawrie说。

参考：“量子增强原子力显微镜的”截短的非线性干涉测量法“由R.C. Pooser，N. Savino，E. Batson，J.L.Beckey，J.Carcia和B.J. Lawrie，6月12日，2020年6月12日，物理审查信.DOI：
10.1103 / physrevlett.124.230504

Thedoe Scient Office of Science和Ornl的实验室指导研发计划支持了该研究。