Сенсор-невидимка KRISS: ИК-измерения с помощью квантовой запутанности

Учёные из Корейского института стандартов и науки ( KRISS ) разработали новую технологию квантовых сенсоров, позволяющую измерять возмущения в инфракрасном диапазоне с помощью видимого света, используя явление квантовой запутанности. Это открытие обеспечит низкозатратные и высокопроизводительные ИК-оптические измерения, которые ранее были ограничены в качестве.

Исследование опубликовано в журнале Quantum Science and Technology .

Когда пара фотонов, мельчайших частиц света, связана квантовой запутанностью, они разделяют общее квантовое состояние независимо от расстояния между ними. Разработанный недавно сенсор квантовых фотонов, использующий недетектируемые фотоны, является дистанционным сенсором, который использует два источника света для воссоздания такой квантовой запутанности.

Недетектируемый фотон ( idler ) - это фотон, который направляется к объекту измерения и отражается обратно. Вместо прямого измерения этого фотона, сенсор измеряет другой фотон пары, связанный квантовой запутанностью, чтобы получить информацию об объекте.

Квантовая сенсорика на основе недетектируемых фотонов - это новая технология, появившаяся всего десять лет назад. Поскольку эта технология находится на ранних стадиях развития, мировое научное сообщество активно участвует в гонке по её совершенствованию. Разработанный KRISS сенсор отличается от предыдущих исследований своими основными фотометрическими устройствами: фотодетектором и интерферометром.

Фотодетектор - это устройство, преобразующее свет в электрический сигнал. Существующие высокопроизводительные фотодетекторы в основном ограничивались применением в видимом диапазоне. Хотя инфракрасные волны полезны для измерений в различных областях, доступные детекторы либо отсутствовали, либо имели низкую производительность.

Новейшие исследования KRISS позволили использовать детекторы видимого света для измерения световых состояний в инфракрасном диапазоне, обеспечивая эффективные измерения без необходимости дорогостоящего и энергоёмкого оборудования. Технология может быть использована в широком спектре приложений, включая ненавязчивое измерение трёхмерных структур, биометрию и анализ газовых композиций.

Ещё один важный элемент в точных оптических измерениях - это интерферометр, устройство, которое получает сигналы, интегрируя несколько лучей света, проходящих по разным путям. Традиционные квантовые сенсоры с недетектируемыми фотонами в основном используют простые интерферометры Микельсона, ограничивающие количество объектов, которые могут быть измерены.

Сенсор, разработанный KRISS, использует гибридный интерферометр, который может гибко изменять пути света в зависимости от измеряемого объекта, значительно улучшая масштабируемость. Таким образом, сенсор подходит для адаптации к различным условиям окружающей среды, так как его можно модифицировать в зависимости от размера или формы измеряемого объекта.

Группа квантовой оптики KRISS представила теоретический анализ факторов, определяющих ключевые показатели производительности квантовых сенсоров, и эмпирически продемонстрировала их эффективность с использованием гибридного интерферометра.

Исследовательская группа отразила свет в инфракрасном диапазоне на трёхмерный образец для измерения и измерила запутанные фотоны в видимом диапазоне, чтобы получить изображение образца, включая его глубину и ширину. Удалось успешно реконструировать трёхмерное инфракрасное изображение из измерений, проведённых в видимом диапазоне.

Руководитель группы квантовой оптики KRISS Пак Хи Су заявил: "Это прорывной пример, который преодолел ограничения традиционной оптической сенсорики, используя принципы квантовой оптики". Он добавил, что KRISS "продолжит дальнейшие исследования для практического применения технологии, сокращая время измерения и увеличивая разрешение сенсоров".