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

想象一下，你正在尝试测量一片非常薄且脆弱的玻璃片的厚度。你不能触摸它，所以必须让光穿过它，观察光的变化。在物理学领域，这被称为干涉测量术（interferometry）。

通常，我们会使用标准的闪光灯（相干光）。但使用闪光灯进行精确测量的能力是有极限的；这就像是在嘈杂的房间里试图听清一声细语。量子物理学提供了一种“超级光”，它由特殊的纠缠粒子组成，能比普通闪光灯更清晰地捕捉到那声细语。然而，这其中有一个难点：这种“超级光”极其脆弱。如果哪怕只有一点点光在玻璃（或空气、或探测器）中丢失或被吸收，这种特殊的“量子优势”就会消失，让你退回到使用普通闪光灯的状态。

这篇论文介绍了一种解决该问题的新方法。研究人员构建了一台机器，它就像是一个智能放大器结合了一个超精细相机。以下是他们实现这一目标的原理，通过简单的概念进行了拆解：

1. “智能放大器”（SU(1,1) 干涉仪）

把传统的测光机器想象成一对天平。你把光放在一侧，进行测量，然后与另一侧进行比较。如果在过程中丢失了几粒沙子（光子），天平就会变得不准确。

研究人员使用了另一种被称为 SU(1,1) 干涉仪的设计。他们没有仅仅只是分割光，而是使用了一种特殊的晶体，它充当了神奇的放大器。

• 第一步： 他们创造了一对纠缠的光束（信号光和闲置光）。
• 第二步： 这些光束通过“传感”区域，在那里获取有关物体的信息。
• 第三步： 在被测量之前，它们会经过第二个放大阶段。

巧妙之处在于，他们让第二个放大器的强度大于第一个。想象一下，你正试图在嘈杂的房间里听清一个微弱的声音。与其只是调大麦克风的音量（这也会同时放大噪音），不如在声音经过噪音干扰之后，再去放大你所寻找的那个特定声音。这种设置使得机器即使在大量光丢失的情况下，也能“恢复”信号。

2. “超精细相机”（光子数分辨探测）

这是他们发现中最关键的部分。

• 旧方法（点击探测器）： 大多数量子传感器使用的探测器就像简单的门铃。它们只告诉你：“是否有光子击中了我？有（点击声）还是没有（静默）。” 这就像你只能通过知道袋子是否重到足以触发地板传感器，来猜测一袋弹珠的重量。你失去了关于袋子里到底有多少颗弹珠的所有细节信息。
• 新方法（PNRD）： 研究人员使用了被称为边缘转换传感器（TES）的特殊传感器。它们的作用就像一台高分辨率相机，不仅能看到“有光”或“无光”，还能逐个计数击中它们的精确光子数量，即使有多个光子同时到达。

类比：管弦乐团

想象光束是一支正在演奏复杂交响乐的管弦乐团。

• 标准探测器就像坐在音乐厅后排的人，他们只知道乐队是在演奏还是在沉默。他们错过了旋律、和谐以及具体的乐器。
• 研究人员的系统则像是一个录音室，能够捕捉到每一种乐器的每一个音符。即使声音在传向录音室的过程中变得有些模糊（丢失），由于录音非常详细，他们仍然可以重建出精确的旋律并完美测量时值。

他们取得了什么成就？

团队在一个现实场景中测试了他们的系统，在该场景下，机器内部损失了约 25% 的光，且在到达探测器之前又损失了 45% 的光。也就是说，总共损失了大约 70% 的光子！

• 结果： 即便存在如此巨大的损耗，他们的系统测量相位（即玻璃的“厚度”）的精度仍比最好的标准闪光灯所能达到的极限高出 2.37 dB。
• 对比： 当他们使用相同的机器，将这种“超精细相机”（PNRD）与“门铃”（点击探测器）进行对比时，相机提取信息的效率提升了 44%。

为什么这很重要

论文声称，通过将这种“智能放大器”与“光子计数相机”相结合，他们开辟了一条在现实世界条件下使用量子传感器的途径，因为在现实中，光丢失是不可避免的。

此前，科学家们认为如果丢失了太多光，就必须丢弃数据或者进行人工修正（这个过程称为后选择）。这篇论文表明，你不需要这样做。你只需要精确地计数你确实得到的光子，因为你的计数如此精准，你依然能获得超越经典方法的“量子优势”。

简而言之： 他们找到了一种方法，通过使用一个能计数每一个光子粒子而非仅仅检测其是否存在探测器，使量子传感器变得足够强健，从而能够在环境混乱且存在损耗的情况下正常工作。