Distributed quantum phase sensing using an SU(1,1) Perelomov coherent state in a Mach-Zehnder interferometer network

In de wereld van metingen bestaat een fundamentele barrière die al lang de grenzen van precisie bepaalt. Eeuwenlang vertrouwden wetenschappers op klassieke instrumenten, waarbij de nauwkeurigheid van een meting uiteindelijk werd beperkt door de willekeurige jitter van de deeltjes die werden geteld, een limiet die bekend staat als de shot-noise-limiet. De komst van de kwantummechanica bood echter een manier om deze plafon te omzeilen. Door gebruik te maken van de vreemde, niet-klassieke gedragingen van deeltjes — zoals hun vermogen om zich in meerdere toestanden tegelijk te bevinden of op een manier met elkaar verbonden te zijn die afstand tart — kunnen onderzoekers sensoren creëren die veel gevoeliger zijn dan alles wat mogelijk is met klassieke fysica. Dit veld, bekend als kwantumsensing, heeft als doel de meetnauwkeurigheid te duwen naar een theoretisch plafond dat de Heisenberg-limiet wordt genoemd, waarbij de precisie afhangt van de totale energie van het systeem in plaats van alleen het aantal deeltjes. De inzet is hoog, aangezien deze ontwikkelingen beloven technologieën te revolutioneren die variëren van ultra-precieze atoomklokken tot sensoren die in staat zijn de zwakste magnetische velden of zwaartekrachtgolven te detecteren.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuw theoretisch kader voorgesteld voor het bouwen van een netwerk van deze ultra-gevoelige sensoren, ontworpen om gelijktijdig meerdere faseveranderingen te meten. Hun werk richt zich op een specifieke opstelling van apparaten die Mach–Zehnder-interferometers worden genoemd, die in essentie complexe spiegels en beam splitters zijn die een lichtstraal in twee paden splitsen en ze vervolgens weer combineren om minuscule verschillen te detecteren. In een standaardopstelling worden deze apparaten vaak één voor één gebruikt, of op een manier waarbij elke sensor onafhankelijk werkt. De onderzoekers stelden een andere vraag: wat gebeurt er als je een netwerk van deze interferometers aan elkaar koppelt met behulp van een speciaal type kwantumtoestand, en die enkele toestand vervolgens over alle sensoren tegelijk verdeelt? Ze onderzochten een netwerk van N dergelijke interferometers, met als doel een gewogen combinatie van faseschuivingen in elk daarvan te schatten, in plaats van ze slechts in isolatie te bekijken.

De kern van hun voorstel houdt in dat er een specifieke kwantumbron, bekend als een SU(1,1) Perelomov coherente toestand, in het netwerk wordt geïnjecteerd. Om de kracht van deze toestand te begrijpen, moet men kijken naar hoe deze anders reageert dan gewoon licht. Terwijl een standaard laserstraal een voorspelbaar aantal fotonen heeft met willekeurige fluctuaties, bezit deze speciale kwantumtoestand een unieke statistische eigenschap waarbij de fluctuaties in het aantal deeltjes niet willekeurig zijn, maar een specifiek, niet-klassiek patroon volgen. De onderzoekers ontdekten dat door deze enkele, verstrengelde toestand in een kwantumcircuit te voeden dat deze over het gehele netwerk van sensoren verdeelt, zij een web van kwantumcorrelaties tussen de verschillende meetpunten konden creëren. Dit staat in schril contrast met een "gescheiden" strategie, waarbij elke sensor in het netwerk wordt gevoed met zijn eigen, onafhankelijke en niet-verbonden kwantumtoestand.

Door middel van gedetailleerde theoretische analyse toont de studie aan dat deze verstrengelde aanpak de onafhankelijke methode aanzienlijk overtreft. Wanneer de onderzoekers de twee strategieën vergeleken terwijl de totale hoeveelheid lichtenergie gelijk bleef, bleek het verstrengelde netwerk veel efficiënter. Het bereikte een niveau van precisie dat de onafhankelijke sensoren niet konden evenaren, waarbij het effectief een nauwkeurigheidsvoordeel behaalde dat schaalt met de omvang van het netwerk. In de meest gunstige scenario's, waarbij het netwerk een gemiddelde van alle faseschuivingen meet, kon de verstrengelde strategie tot wel N keer nauwkeuriger zijn dan de gescheiden strategie, waarbij N het aantal interferometers is. Dit betekent dat naarmate u meer sensoren aan het netwerk toevoegt, de verstrengelde aanpak steeds superieur wordt, terwijl de onafhankelijke aanpak niet dezelfde collectieve impuls krijgt.

Een bijzonder verrassende en cruciale bevinding van de studie betreft het ontwerp van de interferometers zelf. Het conventionele wijs is in de interferometrie vaak dat de beste resultaten voortkomen uit een perfect gebalanceerde opstelling, waarbij licht gelijkmatig tussen de twee paden wordt gesplitst. Echter, dit onderzoek laat zien dat de optimale configuratie voor deze specifieke kwantumtoestand juist sterk ongebalanceerd is. De gevoeligheid van het netwerk wordt gemaximaliseerd wanneer de eerste beam splitter in elke interferometer zo ongelijk mogelijk wordt ingesteld, oftewel wanneer deze bijna al het licht doorlaat of bijna al het licht reflecteert. Dit contra-intuïtieve resultaat komt voort uit het feit dat de speciale kwantumfluctuaties van de invoertoestand het meest effectief bijdragen aan de meting wanneer de beam splitter in deze extreme, ongebalanceerde toestand verkeert. In dit regime kan het netwerk de Heisenberg-limiet bereiken, de hoogst mogelijke precisie die door de kwantummechanica wordt toegestaan, waarbij de schaling de kwadratische wortel van de totale energie is in plaats van enkel de energie zelf.

De onderzoekers onderzochten ook hoe robuust dit systeem zou zijn in de echte wereld, waar licht verloren kan gaan terwijl het door de apparatuur reist. Ze modelleerden de effecten van interne fotonverliezen, die gebruikelijk zijn in praktische experimenten. Hun simulaties toonden aan dat hoewel verliezen de algehele gevoeligheid verminderen en het voordeel van de verstrengelde strategie verzwakken, het fundamentele voordeel behouden blijft. Zelfs met imperfecte transmissie presteert het verstrengelde netwerk nog steeds beter dan het onafhankelijke netwerk, en het potentieel voor Heisenberg-gelimiteerde schaling blijft bestaan, zolang het systeem niet op een manier perfect gebalanceerd is die het kwantumvoordeel tenietdoet. Dit suggereert dat de voorgestelde architectuur niet slechts een theoretische curiositeit is, maar een levensvatbare weg vooruit om grootschalige, hoogprecisie kwantumsensornetwerken te bouwen.

Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijk stappenplan voor het optimaliseren van gedistribueerde kwantumsensing. Het stelt vast dat door gebruik te maken van een enkele, speciaal voorbereide kwantumtoestand en deze over een netwerk van sensoren te verdelen, wetenschappers kwantumcorrelaties kunnen aanwenden om meerdere parameters met ongekende nauwkeurigheid te meten. De studie benadrukt dat de sleutel tot het ontsluiten van dit potentieel niet alleen ligt in de kwantumtoestand zelf, maar ook in hoe deze wordt verdeeld en hoe de hardware wordt afgestemd, specifiek door het omarmen van sterk ongebalanceerde beam splitters. Deze bevindingen bieden een concrete gids voor toekomstige experimenten, en suggereren dat de volgende generatie kwantumsensoren gebouwd kan worden door interferometers in een netwerk te arrangeren en deze te voeden met deze verstrengelde bronnen, waarmee de weg wordt vrijgemaakt voor metingen die voorheen als onmogelijk werden beschouwd.