Improving the loss threshold for quantum advantage in photonic sensors by complete photon counting

Stellen Sie sich vor, Sie möchten die Dicke eines sehr empfindlichen Stücks Glas messen. Sie dürfen es nicht berühren, also müssen Sie Licht hindurchscheinen lassen und beobachten, wie sich das Licht verändert. In der Welt der Physik wird dies als Interferometrie bezeichnet.

Normalerweise verwenden wir eine Standard-Taschenlampe (kohärentes Licht). Aber es gibt eine Grenze für die Präzision, mit der wir mit einer Taschenlampe messen können; es ist, als würde man versuchen, ein Flüstern in einem lauten Raum zu hören. Die Quantenphysik bietet uns ein „Superlicht“ aus speziellen, verschränkten Teilchen, das dieses Flüstern viel besser hören kann. Es gibt jedoch einen Haken: Dieses Superlicht ist unglaublich zerbrechlich. Wenn auch nur ein winziger Teil des Lichts verloren geht oder vom Glas (oder der Luft, oder dem Detektor) absorbiert wird, verschwindet der spezielle „Quantenvorteil“, und man ist wieder zurück bei der Verwendung einer gewöhnlichen Taschenlampe.

Dieses Paper präsentiert einen neuen Weg, um dieses Problem zu lösen. Die Forscher haben eine Maschine gebaut, die wie ein intelligenter Verstärker kombiniert mit einer super-detaillierten Kamera funktioniert. So haben sie es gemacht, aufgeschlüsselt in einfache Konzepte:

1. Der „intelligente Verstärker“ (Das SU(1,1)-Interferometer)

Stellen Sie sich eine herkömmliche lichtmessende Maschine wie eine Waage vor. Man legt Licht auf die eine Seite, misst es und vergleicht es mit der anderen Seite. Wenn auf dem Weg ein paar Sandkörner (Photonen) verloren gehen, wird die Waage ungenau.

Die Forscher verwendeten ein anderes Design namens SU(1,1)-Interferometer. Anstatt das Licht nur aufzuspalten, nutzen sie einen speziellen Kristall, der wie ein magischer Verstärker wirkt.

• Schritt 1: Sie erzeugen ein Paar verschränkter Lichtstrahlen (Signal und Idler).
• Schritt 2: Diese Strahlen passieren den „Messbereich“, in dem sie Informationen über das Objekt sammeln.
• Schritt 3: Bevor sie gemessen werden, durchlaufen sie eine zweite Verstärkungsstufe.

Der clevere Trick hierbei ist, dass sie den zweiten Verstärker stärker gemacht haben als den ersten. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein leises Geräusch in einem lauten Raum zu hören. Anstatt nur die Lautstärke des Mikrofons aufzudrehen (was auch das Rauschen verstärkt), verstärken Sie das spezifische Geräusch, nach dem Sie suchen, nachdem es durch den Lärm gereist ist. Dieser Aufbau ermöglicht es der Maschine, das Signal selbst dann „wiederherzustellen“, wenn auf dem Weg ein erheblicher Teil des Lichts verloren gegangen ist.

2. Die „super-detaillierte Kamera“ (Photonenzahl-auflösende Detektion)

Dies ist der kritischste Teil ihrer Entdeckung.

• Der alte Weg (Click-Detektoren): Die meisten Quantensensoren verwenden Detektoren, die wie einfache Türklingeln funktionieren. Sie sagen Ihnen nur: „Hat mich ein Photon getroffen? Ja (Klick) oder Nein (Stille).“ Es ist, als würde man versuchen, das Gewicht eines Sacks voller Murmeln zu erraten, indem man nur weiß, ob der Sack schwer genug ist, um einen Bodensensor auszulösen. Man verliert all die detaillierten Informationen darüber, wie viele Murmeln tatsächlich darin sind.
• Der neue Weg (PNRD): Die Forscher verwendeten spezielle Sensoren, die als Transition-Edge-Sensoren (TES) bezeichnet werden. Diese fungieren wie eine hochauflösende Kamera, die nicht nur „Licht“ oder „Dunkelheit“ sieht. Sie können die exakte Anzahl der Photonen zählen, die auf sie treffen, selbst wenn mehrere gleichzeitig eintreffen.

Die Analogie: Das Orchester

Stellen Sie sich vor, die Lichtstrahlen sind ein Orchester, das eine komplexe Sinfonie spielt.

• Standarddetektoren sind wie eine Person ganz hinten im Saal, die nur weiß, ob das Orchester spielt oder schweigt. Sie verpasst die Melodie, die Harmonie und die spezifischen Instrumente.
• Das System der Forscher ist wie ein Tonstudio, das jede einzelne Note der Instrumente einfängt. Selbst wenn der Klang auf dem Weg zum Studio etwas gedämpft wird (verloren geht), ist die Aufnahme so detailliert, dass sie die exakte Melodie immer noch rekonstruieren und das Timing perfekt messen können.

Was haben sie erreicht?

Das Team testete ihr System in einem realen Szenario, bei dem etwa 25 % des Lichts innerhalb der Maschine verloren gingen und weitere 45 % verloren gingen, bevor das Licht den Detektor erreichte. Das ist ein Gesamtverlust von etwa 70 % der Photonen!

• Das Ergebnis: Selbst mit diesem massiven Verlust konnte ihr System die Phase (die „Dicke“ des Glases) mit 2,37 dB mehr Präzision messen, als es die beste mögliche Standard-Taschenlampe jemals erreichen könnte.
• Der Vergleich: Als sie ihren „super-detaillierten Kamera“ (PNRD) gegen die „Türklingel“ (Click-Detektor) unter Verwendung derselben Maschine testeten, war die Kamera um 44 % besser darin, Informationen zu extrahieren.

Warum das wichtig ist

Das Paper behauptet, dass sie durch die Kombination dieses „intelligenten Verstärkers“ mit einer „Photonenzähl-Kamera“ einen Weg eröffnet haben, Quantensensoren unter Realbedingungen einzusetzen, bei denen Lichtverluste unvermeidbar sind.

Zuvor dachten Wissenschaftler, dass man zu viel verlorenes Licht die Daten wegwerfen oder künstlich korrigieren müsste (ein Prozess namens Post-Selektion). Dieses Paper zeigt, dass man das nicht tun muss. Man kann einfach die Photonen zählen, die man tatsächlich erhält, und weil man sie so präzise zählt, erzielt man dennoch einen „Quantenvorteil“ gegenüber klassischen Methoden.

Kurz gesagt: Sie haben einen Weg gefunden, Quantensensoren robust genug zu machen, damit sie auch in einer „unordentlichen“ und verlustreichen Umgebung funktionieren – einfach indem man einen Detektor verwendet, der jedes einzelne Lichtpartikel zählt, anstatt nur zu prüfen, ob es da ist.