اپتیک و کوانتوم

این کار در مجله Quantum Science and Technology منتشر شده است. هنگامی که یک جفت فوتون، کوچکترین واحد ذرات نور، توسط درهم تنیدگی کوانتومی به هم متصل می شوند، بدون در نظر گرفتن فاصله مربوطه خود، یک حالت کوانتومی مرتبط را به اشتراک می گذارند. حسگر کوانتومی فوتون کشف نشده اخیراً توسعه یافته یک حسگر از راه دور است که از دو منبع نوری استفاده می کند که چنین درهم تنیدگی کوانتومی را بازسازی می کند.

فوتون آشکارسازی نشده (idler) به فوتونی اطلاق می شود که به سمت هدف اندازه گیری حرکت می کند و به عقب باز می گردد. به جای اندازه گیری مستقیم این فوتون، حسگر فوتون آشکارسازی نشده، فوتون دیگر این جفت را که با درهم تنیدگی کوانتومی به هم مرتبط شده اند اندازه گیری می کند تا اطلاعاتی در مورد هدف به دست آورد. حسگری کوانتومی بر اساس فوتون های آشکارسازی نشده یک فناوری نوپا است که تنها در دهه گذشته محقق شده است. با توجه به اینکه این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود است، جامعه تحقیقاتی جهانی همچنان به مشارکت فعال در مسابقه توسعه ادامه می دهد. حسگر کوانتومی فوتون آشکارسازی نشده توسعه‌یافته توسط KRISS از مطالعات قبلی در دستگاه‌های فتومتریک هسته‌ای خود، آشکارساز نور و تداخل سنج متمایز است.

آشکارساز نوری دستگاهی است که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. آشکارسازهای نوری با کارایی بالا تا حد زیادی در کاربردهایشان به پهنای باند نور مرئی محدود بودند. در حالی که طول موج در ناحیه مادون قرمز برای اندازه‌گیری در کاربردهای مختلف در بسیاری از زمینه‌ها مفید است، آشکارسازهای موجود یا فقط آشکارسازهایی با عملکرد ضعیف وجود نداشت.

این جدیدترین تحقیق KRISS امکان استفاده از آشکارسازهای نور مرئی را برای اندازه‌گیری حالت‌های نور در باند فروسرخ فراهم می‌کند و امکان اندازه‌گیری کارآمد را بدون نیاز به تجهیزات پرهزینه و پرهزینه فراهم می‌کند. می توان از آن در طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله اندازه گیری غیر مخرب ساختارهای سه بعدی، بیومتری و تجزیه و تحلیل ترکیبات گاز استفاده کرد. یکی دیگر از عناصر حیاتی در اندازه‌گیری نوری دقیق، تداخل سنج است، دستگاهی که سیگنال‌ها را با ادغام پرتوهای نوری متعددی که از مسیرهای جدا شده عبور می‌کنند، به دست می‌آورد. حسگرهای کوانتومی فوتون آشکارسازی‌نشده معمولی عمدتاً از تداخل‌سنج‌های ساده Michelson استفاده می‌کنند که مسیرهای نوری ساده را اتخاذ می‌کنند و تعداد اهداف قابل اندازه‌گیری را محدود می‌کنند.

حسگر توسعه یافته توسط KRISS یک تداخل سنج هیبریدی را پیاده سازی می کند که می تواند به طور انعطاف پذیر مسیرهای نور را بسته به جسم مورد نظر تغییر دهد و مقیاس پذیری را تا حد زیادی بهبود بخشد. بنابراین، سنسور برای سازگاری با شرایط مختلف محیطی مناسب است زیرا می توان آن را بر اساس اندازه یا شکل جسم اندازه گیری شده تغییر داد. گروه اپتیک کوانتومی در KRISS تحلیلی نظری از عواملی که معیارهای عملکرد کلیدی حسگرهای کوانتومی را تعیین می‌کنند ارائه کرده است و به طور تجربی اثربخشی آنها را با استفاده از تداخل سنج هیبریدی نشان داده است. تیم تحقیقاتی نور را در باند مادون قرمز بر روی یک نمونه سه بعدی برای اندازه گیری منعکس کردند و فوتون های درهم تنیده در پهنای باند مرئی را اندازه گرفتند تا تصویر نمونه شامل عمق و عرض آن به دست آید. این تیم با موفقیت یک تصویر مادون قرمز سه بعدی را از اندازه گیری های انجام شده در محدوده مرئی بازسازی کرده است.

پارک هی سو، رئیس گروه اپتیک کوانتومی در KRISS، گفت: "این یک نمونه پیشرفت است که با استفاده از اصول اپتیک کوانتومی بر محدودیت های حسگری نوری معمولی غلبه کرده است." وی افزود که KRISS "با کاهش زمان اندازه گیری و افزایش وضوح حسگر به تحقیقات بعدی برای کاربرد عملی این فناوری ادامه خواهد داد."

More information: Eun Mi Kim et al, Quantum optical induced-coherence tomography by a hybrid interferometer, Quantum Science and Technology (2023)