科学新闻：量子光将噪声从显微镜信号中消除

如今，家长非常关注科学教育，国内外的科学教育都成为了很多家长关注的问题。既然现在大家都很关注科学教育，边肖今天就给大家推荐一些与科学教育相关的文章分享一下。如果你感兴趣，你可以仔细阅读以下内容。能源部橡树岭国家实验室的研究人员利用量子光学技术开发了最先进的显微镜技术，并提供了一种比传统工具更灵敏的测试材料性能的测试方法。

ORNL材料科学技术部的本劳里说：“我们展示了如何使用压缩光(量子信息科学的重要工具)作为显微镜的实用资源。”ORNL材料科学技术部的本劳里领导了这项研究。“我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移，其灵敏度优于标准量子极限。”

与今天的经典显微镜不同，普瑟和劳里的量子显微镜需要量子理论来描述它们的灵敏度。ORNL显微镜中的非线性放大器会产生一种叫做压缩光的特殊量子光源。

“想象一幅模糊的画面，”猫说。“太吵了，还隐藏了一些微妙的细节。经典、嘈杂的灯光让你看不到这些细节。‘压缩’版本不那么模糊，可以揭示由于噪音而看不到的微妙细节。”他补充道：“我们可以用压缩光源代替激光来降低传感器读数中的噪音。”

原子力显微镜的微悬臂是一个微型的潜水板，可以有序地扫描样品，当它感应到物理变化时会弯曲。与学生实习生尼克萨维尼奥、艾玛巴特森、杰夫加西亚、雅各布贝奇、劳里和普瑟一起，他们展示了他们发明的量子显微镜能够以比传统方法高50%的灵敏度更好地测量微悬臂梁的位移。对于一秒钟的长时间测量，量子增强的灵敏度为1.7飞秒，大约是碳核直径的两倍。

“压缩光源已被用于提供量子增强的灵敏度，以检测黑洞合并产生的引力波，”Pooser说。“我们的工作有助于将这些量子传感器从宇宙尺度转变为纳米尺度。”

他们的量子显微镜方法依赖于光波的控制。当波合并时，它们将产生相长干涉，这意味着峰值振幅的总和将使产生的波更大。否则，它们会产生相消干涉，这意味着波谷振幅将从峰值振幅中减去，从而使产生的波变小。这种效应可以在池塘中的波浪或者像激光这样的电磁波中看到。

劳里说：“干涉仪先将光束分开，然后将两束光束混合在一起，测量相位的细微变化，这将影响两束光束的复合。”“我们采用了非线性干涉仪，它使用非线性光学放大器进行分离和混合，以实现传统上难以实现的灵敏度。”

在跨学科研究中，它发表在《物理评论快报》上，是非线性干扰的第一个实际应用。

海森堡测不准原理是量子力学的一个众所周知的方面，它使得不可能绝对确定地定义粒子的位置和动量。光的振幅和相位之间也有类似的不确定关系。

这一事实给依赖经典光源(如激光)的传感器带来了一个问题：它们能达到的最高灵敏度使海森堡不确定关系最小化，且各变量的不确定性相等。压缩光源降低了一个变量的不确定性，增加了另一个变量的不确定性，从而“压缩”了不确定性分布。为此，科学界一直用压榨来研究大大小小的现象。

这种量子传感器的灵敏度通常受到光损耗的限制。Poser说：“压缩态是一种脆弱的量子态。”"在这个实验中，我们可以利用纠缠特性来解决这个问题."纠缠是指行为独立的物体。爱因斯坦称之为“远距离的奇怪动作”。在这种情况下，光束的强度在量子水平上相互关联。

“因为纠缠，如果我们测量一束光的功率和光，它将使我们能够在不测量的情况下预测另一种能力，”他继续说道。“由于纠缠，这些测量的噪声更小，为我们提供了更高的信噪比。”

ORNL的量子显微镜方法与通常使用激光进行信号读取的任何优化传感器都有着广泛的联系。Lawrie说：“例如，传统的干涉仪可以被非线性干涉仪取代，以实现生物化学传感、暗物质探测或材料磁性表征的量子增强灵敏度。”

本文的题目是“量子增强原子力显微镜的截断非线性干涉测量”。

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