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

在量子物理的世界中，科学家们长期以来一直寻求一种能够以完美精度测量宇宙中最微小变化的方法。想象一下，试图探测一面镜子的位置变化，而这种变化极其微小，甚至小于单个原子的宽度。为了实现这一目标，研究人员通常使用一种叫做干涉仪的设备，它将一束光分成两条路径，让它们进行旅程，然后将它们重新组合。如果其中一条路径比另一条稍长，光波就会相互干涉，产生一种揭示差异的图样。几十年来，这些测量精度的上限被认为受限于一个被称为“标准量子极限”的基本障碍，这是一个由光本身的随机性质所决定的不确定性之墙。虽然科学家们发现，使用特殊的非经典态光可以突破这面墙，达到一个被称为“海森堡极限”更高的天花板，但要打破这最后一道屏障以实现更高的灵敏度被认为极其困难，通常需要难以在现实世界中构建的复杂且脆弱的装置。

一项新研究提出了一种巧妙的变通方法，通过改变光在机器中传输时的行为，而不是仅仅改变进入机器的光，从而绕过了这些传统的障碍。来自亚利桑那州立大学和桑迪亚国家实验室的研究团队开发出一种方法，可以在不需要奇异起始材料的情况下，显著提高标准干涉仪的灵敏度。他们通过在其中一条光路中插入一系列操作来实现这一点，这些操作以快速、交替的节奏挤压光波，然后再将其拉伸回原状。这个过程被称为“哈密顿量放大”（Hamiltonian amplification），它有效地放大了由测量引起的微小相位偏移，使检测变得更加容易。至关重要的是，这种增强效果无论输入机器的是哪种类型的光——无论是标准的激光束，甚至是没有任何光的真空——只要应用了动态挤压协议，都会奏效。

该团队通过详细的计算机模拟证明，这种动态挤压技术可以大幅提升测量的精度，远超此前认为可能的极限。在他们的模型中，他们展示了通过在挤压光的一个方向和垂直于该方向的另一个方向之间快速切换，他们试图测量的微小信号会被一个取决于挤压强度的因子所放大。这种放大作用使得设备能够以超越海森堡极限的精度检测相位偏移，而这通常需要难以在实践中实现的复杂非线性相互作用。研究人员发现，这种改进不仅仅是一个理论上的奇想；即使使用适度的挤压，其灵敏度也可以比标准方法提高一个数量级以上。

最令人震惊的发现之一是，该方法即使在干涉仪输入真空（即起始时不存在光子的状态）时也同样有效。在传统设置中，真空输入将不会产生任何信号，因为没有光子存在来携带相位信息；然而，动态挤压过程会在机器内部产生光子，从而在原本不存在信号的地方创造出信号。这使得设备能够达到一种超过实际用于测量的光子数量所设定的基本精度的水平。研究还探讨了该方法与其它先进输入态（如挤压真空态）结合时的表现，表明动态挤压带来的益处可以叠加在现有的量子优势之上，从而创造出更强大的传感器。

研究人员仔细测试了这种新方法在面对现实世界中不可避免的缺陷（特别是光子在系统中传输过程中的损失）时的稳健性。在任何物理设备中，总会有一些光被吸收或散射，这通常会破坏实现高精度所需的微妙量子效应。模拟显示，虽然性能会随着光子损失的增加而下降，但该方法在较少的步骤内仍保持着惊人的韧性。灵敏度的增强在面对中度损失时依然有效，这表明该技术在不需要完美、无损条件的情况下，对于实际应用仍具有可行性。这种稳健性是一个重要的进步，因为它意味着复杂的挤压操作序列并不需要达到完美，也能提供相对于现有技术的巨大优势。

这项工作为量子传感提供了一条新的路径，即依赖于修改光的旅程，而非仅仅修改其起点。通过使用目前技术已能实现的简单单模挤压操作序列，研究人员已经证明，可以显著提高测量物理量（如磁场或引力波）的能力。研究结果表明，实现超精密测量并不一定需要最奇异的材料或最复杂的相互作用，而是可以通过巧妙地操纵光随时间演化的方式来实现。这种方法为构建不仅更灵敏而且在现实场景中更具实用性的传感器提供了一条充满希望的途径，可能为探测宇宙中最微弱的低语开启新的大门。