Enhancing the phase sensitivity of a Mach-Zehnder interferometer beyond the Heisenberg limit through dynamic squeezing

In de wereld van de kwantumfysica zoeken wetenschappers al lang naar een manier om de kleinste verschuivingen in het universum met perfecte precisie te meten. Stel je voor dat je probeert een verandering in de positie van een spiegel te detecteren die zo gering is dat deze kleiner is dan de breedte van een enkel atoom. Om dit te doen, gebruiken onderzoekers vaak een apparaat genaamd een interferometer, die een lichtstraal in twee paden splitst, ze een reis laat afleggen en ze vervolgens weer combineert. Als één pad iets langer is dan het andere, interfereren de lichtgolven met elkaar, wat een patroon creëert dat het verschil onthult. Decennialang werd gedacht dat de nauwkeurigheid van deze metingen werd begrensd door een fundamentele barrière die bekend staat als de standaard kwantumlimiet, een muur van onzekerheid die wordt bepaald door de willekeurige aard van licht zelf. Hoewel wetenschappers ontdekten dat het gebruik van speciale, niet-klassieke lichttoestanden deze muur kon doorbreken om een hogere limiet te bereiken, de Heisenberg-limiet genoemd, werd het doorbreken van die laatste barrière om een nog grotere gevoeligheid te bereiken als extreem moeilijk beschouwd, omdat het vaak complexe en fragiele opstellingen vereiste die moeilijk in de echte wereld te bouwen waren.

Een nieuwe studie stelt een slimme workaround voor die deze traditionele hindernissen omzeilt door te veranderen hoe het licht zich gedraagt terwijl het door de machine reist, in plaats van alleen te veranderen wat erin gaat. De onderzoekers, werkend met een team van de Arizona State University en Sandia National Laboratories, hebben een methode ontwikkeld om de gevoeligheid van een standaard interferometer drastisch te verscherpen zonder exotische startmaterialen nodig te hebben. Ze bereikten dit door een reeks operaties in een van de lichtpaden in te voegen die de lichtgolven samenpersen (squeezing) en ze vervolgens weer uitrekken in een snel, afwisselend ritme. Dit proces, dat zij Hamiltonian-amplificatie noemen, vergroot de minuscule faseverschuiving die door de meting wordt veroorzaakt effectief, waardoor deze veel gemakkelijker te detecteren is. Cruciaal is dat deze verbetering werkt, ongeacht het type licht dat in de machine wordt gevoerd, of het nu een standaard laserstraal is of zelfs een vacuüm zonder licht, mits het dynamische squeezing-protocol wordt toegepast.

Het team heeft via gedetailleerde computersimulaties aangetoond dat deze dynamische squeezing-techniek de precisie van de meting kan verhogen tot ver voorbij de grenzen die voorheen mogelijk werden geacht. In hun model lieten ze zien dat door snel af te wisselen tussen het samenpersen van het licht in de ene richting en vervolgens in de loodrechte richting, het minuscule signaal dat ze probeerden te meten, wordt versterkt door een factor die afhangt van de sterkte van de squeezing. Deze amplificatie stelt het apparaat in staat om faseverschuivingen te detecteren met een precisie die de Heisenberg-limiet overtreft, een prestatie die normaal gesproken zeer complexe, niet-lineaire interacties vereist die in de praktijk moeilijk te realiseren zijn. De onderzoekers ontdekten dat deze verbetering niet slechts een theoretische curiositeit is; zelfs met een bescheiden hoeveelheid squeezing kan de gevoeligheid met meer dan een orde van grootte worden verbeterend vergeleken met standaardmethoden.

Een van de meest opmerkelijke bevindingen is dat deze methode werkt, zelfs wanneer de interferometer wordt gevoed met een vacuüm, een toestand waarin geen fotonen aanwezig zijn aan het begin. In traditionele opstellingen zou een vacuüm-input helemaal geen signaal opleveren, omdat er geen fotonen aanwezig zijn om de fase-informatie te dragen; de dynamische squeezing-procedure genereert echter fotonen binnen de machine zelf, waardoor er een signaal ontstaat waar voorheen niets was. Dit stelt het apparaat in staat om een niveau van precisie te bereiken dat de fundamentele limieten overstijgt die worden gesteld door het werkelijk gebruikte aantal fotonen tijdens de meting. De studie onderzocht ook hoe deze methode presteert wanneer deze wordt gecombineerd met andere geavanceerde inputtoestanden, zoals squeezed vacuum-licht, waarbij werd aangetoond dat de voordelen van de dynamische squeezing kunnen worden gestapeld bovenop bestaande kwantumvoordelen om een nog krachtiger sensor te creëren.

De onderzoekers waren zorgvuldig om te testen hoe robuust deze nieuwe methode is tegen de onvermijdelijke imperfecties van de echte wereld, specifen de afname van fotonen terwijl ze door het systeem reizen. In elk fysiek apparaat wordt altijd een deel van het licht geabsorbeerd of verstrooid, wat meestal de delicate kwantumeffecten die nodig zijn voor hoge precisie vernietigt. De simulaties toonden aan dat hoewel de prestaties afnemen naarmate het fotoverlies toeneemt, de methode verrassend veerkrachtig blijft voor een klein aantal stappen. De verbetering van de gevoeligheid houdt goed stand tegen matige niveaus van verlies, wat suggereert dat de techniek bruikbaar kan zijn voor praktische toepassingen zonder dat perfecte, verliesvrije omstandigheden vereist zijn. Deze robuustheid is een belangrijke stap voorwaarts, omdat het impliceert dat de complexe sequenties van squeezing-operaties niet perfect hoeven te zijn om een enorm voordeel te bieden ten opzichte van de huidige technologieën.

Het werk suggereert een nieuw pad voorwaarts voor kwantumsensing, een pad dat rust op het modificeren van de reis van het licht in plaats van alleen het startpunt. Door gebruik te maken van een sequentie van eenvoudige, single-mode squeezing-operaties die al haalbaar zijn met de huidige technologie, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de capaciteit om fysieke grootheden zoals magnetische velden of zwaartekrachtgolven te meten drastisch te verbeteren. De bevindingen wijzen erop dat de weg naar super-precieze metingen niet noodzakelijkerwijs de meest exotische materialen of de meest complexe interacties vereist, maar in plaats daarvan gevonden kan worden in de slimme manipulatie van hoe licht zich in de tijd evolueert. Deze benadering biedt een veelbelovende route voor het bouwen van sensoren die niet alleen gevoeliger zijn, maar ook praktischer te implementeren in real-world scenario's, wat potentieel nieuwe deuren opent voor het detecteren van de zwakste fluisteringen van het universum.