Kvantni senzor

Kvantni senzor koristi svojstva kvantne mehanike, kao što su kvantna zapetljanost, kvantna interferencija i stiskanje kvantnog stanja, koji su optimizirali preciznost i nadmašili granice struje u senzorskoj tehnologiji.[1] Područje kvantnog sensinga bavi se dizajnom i inženjeringom kvantnih izvora (npr. zapletenih) i kvantnih mjerenja koja mogu nadmašiti performanse bilo koje klasične strategije u brojnim tehnološkim primjenama.[2] Ovo se može uraditi sa fotonskim sistemima [3] ili čvrstim sistemima.[4]

U fotonici i kvantnoj optici, fotonski kvantni sensing koristi isprepletenost, pojedinačne fotone i stisnuta stanja za izvođenje izuzetno preciznih mjerenja. Optički senzor koristi kontinuirano promjenjive kvantne sisteme kao što su različiti stepeni slobode elektromagnetnog polja, vibracioni modovi čvrstih tijela i Bose-Einstein kondenzati.[5] Ovi kvantni sistemi se mogu ispitati da okarakterišu nepoznatu transformaciju između dva kvantna stanja. Postoji nekoliko metoda za poboljšanje kvantnog osvjetljenja meta fotonskih senzora, koje su korištene za poboljšanje detekcije slabih signala korištenjem kvantne korelacije.[6] [7] [8] [9]

Kvantni senzori se često grade na kontinuirano promjenjivim sistemima, tj. kvantnim sistemima koje karakteriziraju kontinuirani stepeni slobode kao što su kvadrature položaja i momenta. Osnovni radni mehanizam se obično oslanja na optička stanja svjetlosti, koja često uključuju kvantno mehanička svojstva kao što su stiskanje ili dva moda zapetljanja.[3] Ova stanja su osjetljiva na fizičke transformacije koje se detektuju interferometrijskim mjerenjima.[5]

Kvantni sensing se također može koristiti u nefotonskim područjima kao što su spin kubiti, zarobljeni ioni, fluks kubiti, [4] i nanočestice. [10] Ovi sistemi se mogu porediti prema fizičkim karakteristikama na koje reaguju, na primer, zarobljeni ioni reaguju na električna polja, dok će spin sistemi reagovati na magnetna polja.[4] Zarobljeni ioni su korisni u svojim kvantizovanim nivoima kretanja koji su snažno povezani sa električnim poljem. Predloženi su za proučavanje buke električnog polja iznad površina,[11] i odnedavno, kao senzori rotacije.[12]

U fizici čvrstog stanja, kvantni senzor je kvantni uređaj koji reaguje na stimulans. Obično se ovo odnosi na senzor koji, koji ima kvantizirane energetske nivoe, koristi kvantnu koherenciju za mjerenje fizičke veličine ili koristi isprepletenost za poboljšanje mjerenja izvan onoga što se može učiniti s klasičnim senzorima. [4] Postoje 4 kriterija za kvantne senzore u čvrstom stanju: [4]

  1. Sistem mora imati diskretne, rješive nivoe energije.
  2. Možete inicijalizirati senzor i možete izvršiti očitavanje (uključiti i dobiti odgovor).
  3. Možete koherentno manipulisati senzorom.
  4. Senzor stupa u interakciju s fizičkom količinom i ima određeni odgovor na tu količinu.

Istraživanja i primjeneUredi

Kvantni senzori imaju primjenu u širokom spektru polja uključujući mikroskopiju, sisteme pozicioniranja, komunikacijsku tehnologiju, senzore električnih i magnetnih polja, kao i geofizička područja istraživanja kao što su istraživanje minerala i seizmologija.[4] Mnogi mjerni uređaji koriste kvantna svojstva kako bi ispitali mjerenja kao što su atomski satovi, superprovodljivi uređaji za kvantne interferencije i spektroskopija nuklearne magnetne rezonance. [4] [13] Sa novim tehnološkim napretkom, pojedinačni kvantni sistemi se mogu koristiti kao mjerni uređaji, koristeći preplitanje, superpoziciju, interferenciju i stiskanje kako bi poboljšali osjetljivost i nadmašili performanse klasičnih strategija.

ReferenceUredi

  1. ^ Li, Dong; Gard, Bryan T.; Gao, Yang; Yuan, Chun-Hua; Zhang, Weiping; Lee, Hwang; Dowling, Jonathan P. (2016-12-19). "Phase sensitivity at the Heisenberg limit in an SU(1,1) interferometer via parity detection". Physical Review A (jezik: engleski). 94 (6): 063840. arXiv:1603.09019. Bibcode:2016PhRvA..94f3840L. doi:10.1103/PhysRevA.94.063840.
  2. ^ Rademacher, Markus; Millen, James; Li, Ying Lia (2020-10-01). "Quantum sensing with nanoparticles for gravimetry: when bigger is better". Advanced Optical Technologies (jezik: engleski). 9 (5): 227–239. Bibcode:2020AdOT....9..227R. doi:10.1515/aot-2020-0019. ISSN 2192-8584.
  3. ^ a b Pirandola, S; Bardhan, B. R.; Gehring, T.; Weedbrook, C.; Lloyd, S. (2018). "Advances in photonic quantum sensing". Nature Photonics. 12 (12): 724–733. arXiv:1811.01969. Bibcode:2018NaPho..12..724P. doi:10.1038/s41566-018-0301-6.
  4. ^ a b c d e f g Degen, C. L.; Reinhard, F.; Cappellaro, P. (2017). "Quantum sensing". Reviews of Modern Physics. 89 (3): 035002. arXiv:1611.02427. Bibcode:2017RvMP...89c5002D. doi:10.1103/RevModPhys.89.035002. Greška kod citiranja: Neispravna oznaka <ref>; naziv ":1" definiran je nekoliko puta s različitim sadržajem
  5. ^ a b Adesso, Gerardo; Ragy, Sammy; Lee, Antony R. (June 2014). "Continuous Variable Quantum Information: Gaussian States and Beyond". Open Systems & Information Dynamics (jezik: engleski). 21 (1n02): 1440001. arXiv:1401.4679. doi:10.1142/S1230161214400010.
  6. ^ Tan, Si-Hui; Erkmen, Baris I.; Giovannetti, Vittorio; Guha, Saikat; Lloyd, Seth; Maccone, Lorenzo; Pirandola, Stefano; Shapiro, Jeffrey H. (2008-12-18). "Quantum Illumination with Gaussian States". Physical Review Letters. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103/PhysRevLett.101.253601. PMID 19113706.
  7. ^ Shapiro, Jeffrey H; Lloyd, Seth (2009-06-24). "Quantum illumination versus coherent-state target detection". New Journal of Physics. 11 (6): 063045. arXiv:0902.0986. Bibcode:2009NJPh...11f3045S. doi:10.1088/1367-2630/11/6/063045.
  8. ^ Barzanjeh, Sh.; Abdi, M.; Milburn, G. J.; Tombesi, P.; Vitali, D. (2012-09-28). "Reversible Optical-to-Microwave Quantum Interface". Physical Review Letters (jezik: engleski). 109 (13): 130503. arXiv:1110.6215. Bibcode:2012PhRvL.109m0503B. doi:10.1103/PhysRevLett.109.130503. PMID 23030075.
  9. ^ Guha, Saikat; Erkmen, Baris I. (2009-11-10). "Gaussian-state quantum-illumination receivers for target detection". Physical Review A (jezik: engleski). 80 (5): 052310. arXiv:0911.0950. Bibcode:2009PhRvA..80e2310G. doi:10.1103/PhysRevA.80.052310.
  10. ^ Kustura, K.; Gonzalez-Ballestero, C.; De los Ríos Sommer, A.; Meyer, N.; Quidant, R.; Romero-Isart, O. (2022-04-07). "Mechanical Squeezing via Unstable Dynamics in a Microcavity". Physical Review Letters (jezik: engleski). 128 (14): 143601. arXiv:2112.01144. Bibcode:2022PhRvL.128n3601K. doi:10.1103/PhysRevLett.128.143601. PMID 35476467 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć).
  11. ^ Brownnutt, M.; Kumph, M.; Rabl, P.; Blatt, R. (2015-12-11). "Ion-trap measurements of electric-field noise near surfaces". Reviews of Modern Physics (jezik: engleski). 87 (4): 1419–1482. arXiv:1409.6572. Bibcode:2015RvMP...87.1419B. doi:10.1103/RevModPhys.87.1419.
  12. ^ Campbell, W (2017-02-23). "Rotation sensing with trapped ions". Journal of Physics B. 50 (6): 064002. arXiv:1609.00659. Bibcode:2017JPhB...50f4002C. doi:10.1088/1361-6455/aa5a8f.
  13. ^ Pezzè, Luca; Smerzi, Augusto; Oberthaler, Markus K.; Schmied, Roman; Treutlein, Philipp (2018-09-05). "Quantum metrology with nonclassical states of atomic ensembles". Reviews of Modern Physics (jezik: engleski). 90 (3): 035005. arXiv:1609.01609. Bibcode:2018RvMP...90c5005P. doi:10.1103/RevModPhys.90.035005.