Le montage expérimental utilisé dans l'étude. Crédit :Jonas S. Neergaard-Nielsen.
La métrologie quantique améliorée est un domaine de recherche actif depuis plusieurs années en raison de ses nombreuses applications possibles, allant des horloges atomiques à l'imagerie biologique. Des recherches antérieures en physique ont établi que le fait d'avoir une sonde non classique, comme une lumière comprimée ou un état de rotation enchevêtré, peut avoir des avantages significatifs par rapport aux sondes classiques. Cette idée a été approfondie dans plusieurs travaux récents, dont certains ont également examiné les avantages de l'examen de plusieurs échantillons distincts avec des sondes non classiques.
Inspiré par ces études, des chercheurs de l'Université technique du Danemark et de l'Université de Copenhague ont récemment mené une expérience sur les avantages de l'utilisation d'un réseau quantique intriqué pour détecter un déphasage moyen entre plusieurs nœuds distribués. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , présente une série de techniques qui pourraient aider à recueillir des mesures plus précises dans divers domaines.
"Des études récentes ont montré que le fait d'avoir des corrélations non classiques entre des sondes adressant différents échantillons pouvait conduire à un gain par rapport à des sondes non corrélées, " Johannes Borregaard, le chercheur qui a initié le projet, dit Phys.org. "Cela nous a incités à rechercher si de tels avantages pouvaient déjà être démontrés en utilisant la technologie actuelle."
Dans leur étude, Borregaard et ses collègues se sont concentrés sur la détection de lumière comprimée et homodyne, qui sont maintenant des techniques de détection établies. L'objectif global de l'expérience était de mesurer une propriété globale de plusieurs objets séparés dans l'espace et de déterminer si le fait de sonder ces objets simultanément avec une lumière intriquée conduisait à des résultats plus précis que de les sonder individuellement. Les chercheurs ont découvert que l'utilisation d'un réseau quantique pour sonder les objets permettait simultanément une détection de phase avec une précision bien supérieure à celle pouvant être obtenue lors de l'examen individuel des sondes.
Aperçu du schéma de détection de phase distribuée. La lumière comprimée (sqz) est distribuée via des séparateurs de faisceau aux échantillons de phase à l'étude. Les phases imprimées sur les sondes pressées sont détectées avec des détecteurs homodynes et ces mesures sont ensuite combinées pour former le déphasage moyen. En raison des corrélations quantiques entre les sondes, ce déphasage moyen peut être obtenu avec une plus grande précision que si les échantillons étaient sondés indépendamment. Crédit :Jonas S. Neergaard-Nielsen.
« Dans cette manifestation particulière, nous voulions estimer la moyenne de multiples déphasages optiques, " Xueshi Guo, auteur principal de l'article, dit Phys.org. "Nous avons mesuré les déphasages (que nous avons réglés avec des plaques d'onde à une valeur connue) en envoyant un faisceau laser faible et en détectant le changement de quadrature de phase de la lumière avec des détecteurs homodynes."
Pour générer de la lumière enchevêtrée et la répartir entre différents sites, les chercheurs ont utilisé une méthode assez simple. D'abord, ils ont créé un état de lumière à phases serrées, qui est un état quantique non classique standard. Ensuite, ils l'ont divisé en plusieurs faisceaux à l'aide de séparateurs de faisceaux.
Cela a abouti à des sondes lumineuses avec un bruit réduit dans la quadrature de phase, mais seulement lorsque toutes les sondes ont été mesurées simultanément. C'est précisément la propriété requise pour obtenir un meilleur rapport signal sur bruit dans l'estimation de la phase moyenne sans augmenter l'énergie (c'est-à-dire, nombre de photons) dans les états de la sonde.
"Dans l'expérience, nous avons eu quatre échantillons de phase au total, " explique Guo. " Le gain que l'on peut obtenir en utilisant l'intrication est alors théoriquement limité à un facteur 2. Cependant, à mesure que le nombre d'échantillons augmente, le gain réalisable aussi."
Image montrant la source de lumière comprimée dans l'expérience (c'est-à-dire, un oscillateur paramétrique optique). Crédit :Jonas S. Neergaard-Nielsen.
Les chercheurs ont découvert que l'avantage d'utiliser la détection quantique distribuée devient vraiment important lorsqu'une propriété de nombreux objets connectés dans un réseau optique doit être mesurée. Pour réussir à gagner en précision, cependant, les pertes dans le réseau et les détecteurs doivent être maintenues faibles, sinon, l'avantage quantique disparaît.
« La principale réalisation de notre étude est la démonstration expérimentale des avantages associés à l'utilisation de l'intrication multimode pour la détection distribuée, " a déclaré Borregaard. " Les études théoriques précédentes avaient prédit de tels avantages, mais ils ont souvent considéré des scénarios hautement idéalisés et des états de sonde ou des techniques de détection expérimentalement très difficiles. Notre travail confirme que de tels avantages sont accessibles même avec la technologie bruyante actuelle."
À l'avenir, les techniques démontrées par Borregaard, Guo et leurs collègues pourraient avoir des implications importantes pour un certain nombre de domaines différents de la recherche et du développement technologique. Par exemple, ils pourraient contribuer à améliorer la sensibilité des outils de suivi moléculaire, horloges atomiques, et les techniques de magnétométrie optique.
Bien que seules d'autres investigations permettront de déterminer dans quelle mesure chacune de ces applications peut bénéficier des méthodes introduites par les chercheurs, cette étude récente offre des informations précieuses sur la façon dont la métrologie quantique améliorée peut être réalisée en utilisant des technologies facilement disponibles, telles que la génération de lumière comprimée et la détection homodyne. Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient de continuer à étudier l'utilisation de la lumière comprimée multimode dans d'autres contextes, en particulier pour les applications d'informatique quantique optique.
« Dans notre expérience, nous n'avons pas réellement utilisé les états de sonde optimaux et les méthodes de mesure permises par la théorie quantique, il serait donc passionnant de démontrer le problème de la détection distribuée avec ces ressources, " Jonas S. Neergaard-Nielsen, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "En outre, il pourrait être intéressant de distribuer la lumière enchevêtrée à des endroits éloignés dans un réseau de fibres optiques installé pour montrer l'applicabilité du système dans le monde réel."
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