美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员在利用量子力学增强传感设备方面迈出了重要一步，这一新的进步可用于广泛的领域，包括材料表征、改进成像以及生物和医学应用。
量子力学是我们理解具有粒子和波特征的极小物体的方法。它在增强传感装置中的应用旨在实现更精确的测量，否则无法实现。量子传感用于各种具有挑战性的环境和应用，包括检测水下管道中的漏油，探测生物样品，增强医疗设备和探测整个宇宙中的暗物质。
ORNL和俄克拉荷马大学的科学家利用光量子态的独特特性来实现平行量子增强传感。在这个实验中使用的光类型处于压缩状态，比经典光或具有人眼可见的电磁波长的光具有更少的噪声。
这些结果为高度并行的空间分辨量子增强传感技术以及复杂的量子传感和量子成像平台打开了大门。这项研究建立在先前使用量子光的量子增强等离子体传感工作的基础上，该工作揭示了量子光可以增强等离子体传感器。
研究结果发表在《ACS光子学》杂志上。
作为更好地利用光的量子特性进行传感的实验的一部分，研究人员使用明亮的双光束探测一个四传感器象限等离子体阵列——一个由四个单独的传感器组成的传感系统，这些传感器排列在一个象限布局中。
基于他们之前在等离子体传感方面的工作，他们的发现表明，具有量子优势的四个传感器可以独立地同时测量折射率的局部变化。这使得传感器可以同时探测，而不是连续或顺序地探测，这是暗物质探测或成像应用等研究所需要的。这项研究使所有四种传感器的灵敏度都比相应的经典配置提高了22%到24%。
ORNL研究员Alberto Marino说：“通常情况下，你可以利用时间上的相关性，并利用低于经典极限的噪声水平，即压缩，来增强测量并获得量子增强。”“在这种情况下，我们所做的是结合时间和空间相关性，同时探测多个传感器，并同时对所有传感器进行量子增强。”
Marino在ORNL担任量子传感和计算小组组长，并在俄克拉何马大学担任联合教职，他补充说，这项研究的目标是从系统中提取更多的信息，同时保持量子优势。
实验室将在实践中使用这种方法的一个领域是探测暗物质，科学家们认为暗物质是贯穿宇宙的未知物质。这种类型的物质不与光相互作用，但确实施加引力，所以探测暗物质需要大型传感器阵列，因为它与标准物质的相互作用很弱。
“我们现在有一个项目，我们正在做暗物质探测，这将需要一系列传感器，”马里诺说。“我们在并行量子传感方面的工作将在那里发挥重要作用，因为它是同时探测多个传感器的第一步，并将使我们能够超越目前使用单个光机械传感器的工作。”
对于暗物质探测，ORNL团队目前正在使用光的量子态来提高基于微机电系统（MEMS）的光机械传感器的灵敏度。这些光被用来测量由于MEMS与暗物质预期的相互作用而赋予MEMS的加速度。展望未来，光源将被优化，以包含尽可能多的独立量子相关区域，或相干区域。这些相干区域中的每一个将被用来探测阵列中的一个传感器。
马里诺说：“例如，平行量子增强传感和等离子体传感器的结合可以通过让每个传感器在一个阵列中检测不同的东西，从而提高同时检测血液中多种病原体的能力。”
