Attosecond delay metrology beyond the photon coherence time with spectrally resolved Hong-Ou-Mandel interferometry

想象一下，你正试图测量在迷雾弥漫的田野中两个朋友之间的距离。如果你使用普通的电筒，只有当他们的影子完美重叠时，你才能判断他们靠得很近；一旦他们走得太远，雾气就会吞噬信号，让你失去对他们的追踪。这就是传统光测量工具的工作方式：它们依赖于光的“相干性”，这是一个高级说法，指的是光波保持步调一致的时间长短。如果路径差大于这个步调，测量就会失效。但如果你的电筒不是仅仅射出一束光，而是能发出一对完美同步的双胞胎呢？在量子物理的世界里，这些“双生子”光子是纠缠在一起的，这意味着无论它们相隔多远，它们的命运都是紧密相连的。科学家们长期以来一直利用这些双生子来以惊人的精度测量微小距离，但他们遇到了一个障碍：他们只能测量小于这对双生子“相干时间”的距离，而相干时间就像是一个非常短暂的机会窗口，一旦错过，双生子就会失去联系。这种局限性让量子超高精度测量被锁在了实验室里，无法在不进行频繁、繁琐调整的情况下测量较厚的物体或较长的距离。

但研究人员发现了一种巧妙的方法来突破这道“迷雾之墙”。他们不仅仅观察双生子何时到达，还观察了它们到达时的“颜色”。通过分析这些纠缠光子对产生的特定光谱“条纹”（可以将其想象成彩色的条纹或涟漪），该团队发现他们可以测量远超传统极限的延迟。这就像是意识到，即使双生子走出了数英里远，他们脚印的图案仍然隐藏着一个秘密代码，只要你知道如何解读他们脚步的节奏，就能准确告诉你他们走了多远。这一突破意味着我们现在可以使用量子光来测量具有阿秒级精度（即十亿分之一的十亿分之一秒）的距离，且跨度比以前大数百倍，而无需不断重新校准机器。

从不需要校准的量子尺

在这篇论文中，研究人员展示了一种利用称为光谱分辨霍恩-奥-曼德尔（HOM）干涉术的技术来测量时间延迟和距离的新方法。为了理解他们的做法，我们首先看看旧的方法。传统上，科学家使用 HOM 干涉术来测量光传播一定距离所需的时间。他们将两个完全相同的光子送入一个分束器（一种分裂光的镜子）。如果光子同时到达，它们会“聚拢”在一起并从同一侧退出，从而在检测到它们被分开的次数上产生一个“凹陷”。这个凹陷就是他们用来作为“尺子”的工具。然而，这把尺子非常短；它仅在路径差处于光子的“相干时间”（即那个凹陷的宽度）之内时才有效。如果物体太厚或延迟太长，凹陷就会消失，测量就会失败。

作者在文中指出，我们不需要依赖那个凹陷的深度。相反，他们展示了如果你观察光子的颜色（频率），你会看到另一种模式：一系列看起来像条形码的干涉条纹。即使路径差巨大（远超传统极限），这些条纹依然存在。关键发现是，这些光谱条纹的频率（即条纹重复的快慢）与时间延迟直接相关。通过测量这些颜色条纹的“紧密”或“松散”程度，研究人员可以计算出延迟，其精度极高，且不受光子走得有多远的影响。

结果：看见不可见之物

团队构建了一个定制化的装置，使用一种特殊的相机，能够标记单个光子的精确时间和颜色。他们产生了一对纠缠光子对，并将其中一个通过一条可以调节路径的路径。以下是他们的发现：

• 突破极限： 他们成功测量了从 -300 µm 到 300 µm，甚至高达 1 mm 的路径延迟。这是一个巨大的范围，超过了传统的“HOM 凹陷”宽度（仅为 5.7 µm）两个数量级以上（超过 100 倍）。
• 无与伦比的精度： 当他们收集了 一百万对 被探测到的光子数据时，实现了 20 阿秒 的时间延迟精度，这对应于 6 纳米 的距离精度。即使在“实时”操作（以 1 Hz 的速率处理实时数据）中，他们也保持了 330 阿秒（或 100 纳米）的精度。
• 不再需要校准： 最令人兴奋的部分之一是，这种方法是“鲁棒的”（稳健的）。在旧方法中，如果你丢失了一些光子（由于透镜脏了或样品太厚），或者干涉并不完美，你必须停止并重新校准机器。因为这种新方法依赖于条纹的周期性（节奏）而非光子的绝对数量，所以即使信号微弱或可见度下降，它也能完美工作。他们通过测量一个 300 µm 厚的晶体，甚至通过引入滤光片造成光子损耗，证明了测量依然准确，无需任何重新校准。

为什么这很重要

作者明确排除了“需要扫描干涉仪或校准‘凹陷’才能获得这些结果”的可能性。他们表明，延迟信息编码在光谱条纹中，这些条纹在广阔的范围内保持稳定且可读。这是向前迈出的重要一步，因为它将量子计量学从精密的实验室实验转变为一种实用的工具。

为了证明其在现实世界中的有效性，他们使用该装置测量了一个 300 µm 透射目标（B 晶体）的厚度，并达到了纳米级的精度。他们发现该晶体的厚度为 309,716 ± 30 nm。这证明了该技术可以处理现实世界的物体，而不需要通常量子测量所要求的完美、无菌的环境。

虽然目前的系统受限于相机的速度和探测器的效率（仅捕捉到约 8% 的光子），但作者建议，未来通过更好的探测器进行升级，可以使测量变得更快、更精确。他们设想这项技术将被用于诸如测量材料厚度、量子光学断层扫描（一种高科技医疗成像技术），以及在光损耗无法避免的环境中进行远程位移传感。

简而言之，这篇论文表明，通过倾听纠缠光子的“颜色之歌”而非仅仅计数，我们可以以量子精度测量世界，跨越以往被认为不可能实现的距离，而且无需不断的调试和重新校准。