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

Stel je voor dat je de dikte van een zeer delicaat stuk glas wilt meten. Je kunt het niet aanraken, dus je moet er licht doorheen schijnen en kijken hoe het licht verandigt. In de wereld van de natuurkunde wordt dit interferometrie genoemd.

Normaal gesproken gebruiken we een standaard zaklamp (coherent licht). Maar er is een limiet aan hoe nauwkeurig we met een zaklamp kunnen meten; het is alsof je probeert een fluistering te horen in een lawaaierige kamer. Kwantumfysica biedt een "superlicht" gemaakt van speciale, verstrengelde deeltjes die die fluistering veel beter kunnen horen. Echter, er is een addertje onder het gras: dit superlicht is ongelooflijk fragiel. Als zelfs maar een klein beetje licht verloren gaat of wordt geabsorbeerd door het glas (of de lucht, of de detector), verdwijnt het speciale "kwantumvoordeel" en ben je terug bij het gebruik van een gewone zaklamp.

Dit artikel presenteert een nieuwe manier om dat probleem op te lossen. De onderzoekers hebben een machine gebouwd die werkt als een slimme versterker gecombineerd met een supergedetailleerde camera. Zo hebben ze het gedaan, uitgelegd aan de hand van eenvoudige concepten:

1. De "Slimme Versterker" (De SU(1,1) Interferometer)

Denk aan een traditionele lichtmeetmachine als een weegschaal. Je plaatst licht aan de ene kant, meet het, en vergelijkt het met de andere kant. Als je onderweg een paar korrels zand (fotonen) verliest, wordt de weegschaal onnauwkeurig.

De onderzoekers gebruikten een ander ontwerp genaamd een SU(1,1) interferometer. In plaats van alleen licht te splitsen, gebruiken ze een speciaal kristal dat fungeert als een magische versterker.

• Stap 1: Ze creëren een paar verstrengelde lichtbundels (signaal en idler).
• Stap 2: Deze bundels gaan door het "sensorgebied" waar ze informatie over het object oppikken.
• Stap 3: Voordat ze worden gemeten, gaan ze door een tweede versterkingsfase.

De slimme truc hier is dat ze de tweede versterker sterker hebben gemaakt dan de eerste. Stel je voor dat je probeert een zacht geluid te horen in een lawaaierige kamer. In plaats van alleen het volume van de microfoon harder te zetten (wat ook het lawaai harder zet), versterk je het specifieke geluid waar je naar op zoek bent nadat het door het lawaai is gereisd. Deze opstelling stelt de machine in staat om het signaal zelfs te "herstellen" als er onderweg een aanzienlijke hoeveelheid licht verloren gaat.

2. De "Supergedetailleerde Camera" (Photon-Number Resolving Detection)

Dit is het meest cruciale deel van hun ontdekking.

• De Oude Manier (Click Detectors): De meeste kwantumsensoren gebruiken detectoren die werken als eenvoudige deurbellen. Ze vertellen je alleen: "Is er een foton op mij gevallen? Ja (Klik) of Nee (Stilte)." Het is alsof je probeert het gewicht van een zak knikkers te raden door alleen te weten of de zak zwaar genoeg is om een vloersensor te activeren. Je verliest alle gedetailleerde informatie over hoeveel knikkers er daadwerkelijk in zitten.
• De Nieuwe Manier (PNRD): De onderzoekers gebruikten speciale sensoren die Transition-Edge Sensors (TES) worden genoemd. Deze fungeren als een hoogresolutiecamera die niet alleen "licht" of "donker" ziet. Ze kunnen het exacte aantal fotonen tellen dat hen raakt, één voor één, zelfs als er meerdere tegelijk aankomen.

De Analogie: Het Orkest

Stel je voor dat de lichtbundels een orkest zijn dat een complexe symfonie speelt.

• Standaard detectoren zijn als een persoon achter in de zaal die alleen weet of het orkest speelt of stil is. Hij mist de melodie, de harmonie en de specifieke instrumenten.
• Het systeem van de onderzoekers is als een opnamestudio die elke noot van elk instrument vastlegt. Zelfs als het geluid onderweg naar de studio een beetje gedempt wordt (verloren gaat), is de opname zo gedetailleerd dat ze de exacte melodie nog steeds kunnen reconstrueren en de timing perfect kunnen meten.

Wat Hebben Ze Bereikt?

Het team heeft hun systeem getest in een realistische scenario waarbij ongeveer 25% van het licht binnen de machine verloren ging en nog eens 45% werd verloren voordat het de detector bereikte. Dat is een totaal verlies van ongeveer 70% van de fotonen!

• Het Resultaat: Zelfs met dit enorme verlies kon hun systeem de fase (de "dikte" van het glas) met 2,37 dB meer precisie meten dan de best mogende standaard zaklamp ooit zou kunnen bereiken.
• De Vergelijking: Wanneer ze hun "supergedetailleerde camera" (PNRD) vergeleken met de "deurbel" (click detector) met gebruik van dezelfde machine, was de camera 44% beter in het extraheren van informatie.

Waarom Dit Belangrijk Is

Het artikel beweert dat door deze "slimme versterker" te combineren met een "fotontellende camera", ze een manier hebben ontsloten om kwantumsensoren te gebruiken in reële omstandigheden waarin lichtverlies onvermijdelijk is.

Voorheen dachten wetenschappers dat als je te veel licht verloor, je de data moest weggooien of kunstmatig moest corrigeren (een proces dat post-selectie wordt genoemd). Dit artikel laat zien dat je dat niet hoeft te doen. Je kunt gewoon de fotonen tellen die je wel krijgt, en omdat je ze zo precies telt, behaal je nog steeds een "kwantumvoordeel" ten opzichte van klassieke methoden.

Kortom: Ze hebben een manier gevonden om kwantumsensoren robuust genoeg te maken om te werken, zelfs wanneer de omgeving rommelig en verlieslatend is, simpelweg door een detector te gebruiken die elk individueel lichtdeeltje telt in plaats van alleen te controleren of het er wel of niet is.