Quantum-enhanced phase interrogation of a fiber-optic strain sensor
本文展示了一种利用全纤维法布里-珀罗谐振器和 N=2 NOON 态实现的量子增强型光纤应变传感器，在实际光学功率限制下实现了低于标准量子极限的测量噪声降低。
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想象这样一个世界：最精细的测量不再由沉重、笨拙的机器完成，而是通过比人类发丝还要细微的玻璃纤维来实现。这些光纤传感器已经是现代工程领域的得力助手，它们在静默中监测着桥梁的健康状况、石油管道中的压力以及地壳的细微移动。它们的工作原理是通过玻璃纤维传输光线；当纤维拉伸或压缩时，内部的光发生变化，从而揭示作用在其上的物理力量。然而，这些传感器的观测精度存在一个根本性的障碍。光是由被称为“光子”的微小、离散的数据包组成的，即使在稳定的光束中，这些数据包的到达也带有天然的、抖动的随机性。这种抖动产生了一种背景模糊感，这是一种无论多少经典工程手段都无法简单消除的清晰度极限。几十年来，科学家们一直知道，若要看透这一极限，就需要改变光本身的性质，利用一种奇特的量子特性——在这种特性下，粒子以一种违背日常逻辑的方式相互连接。
来自法国和意大利的一个研究小组现在向打破这一障碍迈出了重要一步。他们制造了一种既能使用普通光，也能使用一种特殊的、相互关联的光进行工作的传感器，并证明了在保持低光强时，这种关联光能以更高的精度感知应变。他们的设备核心是位于光纤内部的一个微型腔，该腔由两个间距为133毫米的高反射镜组成。这个腔体充当了一个谐振器，即光在其中来回反射的腔室。研究人员使用了一台非常稳定的激光器，使其锁定在该腔体的特定频率上。当光纤发生极其轻微的拉伸时，腔体的大小会发生变化，激光器必须调整其频率以保持锁定状态。通过观察激光器需要调整的幅度，团队便可以测量光纤上的应变。为了读取这些微小的变化，他们将光送入第二个设备——一个不平衡干涉仪，该设备将光分成两条路径并重新合并，以揭示相位偏移。
实验旨在对比观察同一种物理变化的两种方式。首先，他们直接使用激光光，这种光表现为标准的独立粒子流。他们测量了这股粒子流中的噪声，发现其符合该数量级光子所预期的随机性极限。这证实了他们的系统运行正常，且背景噪声确实是经典光的根本极限。随后，他们切换到另一种光源，该光源由同一台激光器产生，但通过特殊的晶体产生量子力学上相互关联的光子对。这些光子对作为一个整体运作，处于一种两颗光子深度连接的状态，以至于测量其中一颗就能立刻得知另一颗的信息。当研究人员使用这些相互关联的光子对来探测相同的应变时，测量中的噪声明显低于使用普通光时的水平。
结果显示，在短时间内，关联光子相比于普通光，将测量不确定性降低了约1.5倍的平方根，有效地将传感器的灵敏度推向了超越标准量子极限的水平。当研究人员施加一个极微小的、有节奏的拉伸（相当于十亿分之一的长度变化）并观察信号在背景噪声中呈现出的清晰度时，这种优势最为明显。虽然由于设备的缓慢温度漂移，这种优势在较长时间内会逐渐消退，但实验提供了明确的证据，证明量子关联光可以从更少的光子中提取更多的信息。这是一个至关重要的区别，因为在许多现实场景中，例如监测脆弱的生物组织或避免损坏敏感材料，人们无法简单地通过提高激光功率来获得更清晰的图像。这种“用更少的光看得更清”的能力正是这项工作的核心意义所在。
研究人员指出，目前的装置尚不足以取代重工业中使用的那些大型、高功率传感器，但它为那些必须保持低功率输出的情况开辟了一条新路径。目前，他们测量的精度受限于用于计数光子的超导探测器的性能，这些探测器在入射光速率增加时效率会下降。尽管存在这些技术限制，该实验仍是一个实用的演示，证明了量子纠缠不仅仅是一个理论上的奇观，更是一种可以用来增强光纤传感器灵敏度的实用工具。通过证明关联光子在实际传感任务中能优于独立光子，该团队展示了一条通往新一代仪器的可行路径——这些仪器能够探测到最微弱的物理变化，而无需依靠高强度的光进行“呐喊”。
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