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美加联手！利用“量子压缩”技术提升量子传感器气体检测灵敏度
发布时间:
2025-02-05
据国外媒体消息，2025年1月16日，美国科罗拉多大学博尔德分校和加拿大拉瓦尔大学的研究人员首次利用“量子压缩”技术，显著提升了光频梳激光器的气体传感性能。这一创新方法使用于检测气体分子（如甲烷）的量子传感器在测量时变得更加灵敏和快速。研究表明，通过应用该技术，频率梳检测器的速度可提升一倍。相关研究成果已发表于《科学》杂志。
据国外媒体消息，2025年1月16日，美国科罗拉多大学博尔德分校和加拿大拉瓦尔大学的研究人员首次利用“量子压缩”技术，显著提升了光频梳激光器的气体传感性能。这一创新方法使用于检测气体分子（如甲烷）的量子传感器在测量时变得更加灵敏和快速。研究表明，通过应用该技术，频率梳检测器的速度可提升一倍。相关研究成果已发表于《科学》杂志。
量子压缩：提升传感器性能的关键
科学家首次将“量子压缩”技术应用于光频梳激光器，使其气体传感性能大幅提升。这些超精确的传感器如同气体分子的“指纹扫描仪”，可用于检测石油和天然气作业中的甲烷泄漏，以及人类呼吸样本中新冠感染的迹象。
研究人员通过一系列实验室实验，成功使频率梳探测器的测量灵敏度和速度得到显著提升，速度提升一倍。该研究由科罗拉多大学博尔德分校的Scott Diddams教授和加拿大拉瓦尔大学的Jérôme Genest教授合作完成。
Diddams教授表示：“假设你身处工厂环境中，需要检测少量危险气体泄漏。如果能在10分钟内完成检测，而不是20分钟，这在保护人员安全方面将产生巨大差异。”1月16日，他与团队在《科学》杂志上发表了这一成果，研究由科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机和能源工程系（ECEE）的博士后研究员Daniel Herman主导。
光频梳激光器：从原理到创新
普通激光器仅发出单一颜色的光，而光频梳激光器则能同时发出数千至数百万种颜色的脉冲。在新研究中，研究人员利用普通光纤精确操纵这些激光器发出的脉冲，通过“压缩”光束，使其部分属性更加精确，而另一些则更加随机。这一过程本质上是对微观世界中自然随机性和波动的“胜利”。
Diddams教授指出：“克服量子不确定性并非易事，且代价不菲。但对于开发新型量子传感器而言，这是至关重要的一步。”
光频梳技术起源于科罗拉多大学博尔德分校与国家标准与技术研究所（NIST）联合创办的研究机构JILA。Diddams教授曾是JILA团队的一员，该团队在20世纪90年代末首次开发出光频梳激光器。2005年，团队负责人Jan Hall因这一成果获得诺贝尔物理学奖。
光频梳激光器的工作原理是：当激光脉冲在大气中传播时，途中的分子会吸收某些颜色的光，而忽略其他颜色。科学家可以根据激光中缺失的颜色来识别空气中的成分，就像一把掉了几颗齿的梳子，因此得名“光频梳”。
然而，Diddams教授指出，这些测量存在固有的不确定性。光由被称为光子的微小粒子组成，尽管激光从外部看起来是有序的，但其单个光子并非如此。他解释道：“如果检测这些光子，它们不会以每纳秒一个的均匀速度到达，而是随机时间到达。”这种随机性导致了从频率梳传感器返回数据中的“模糊性”。
量子压缩技术的应用与突破
量子物理学中，许多属性是相互耦合的，精确测量一个属性会降低对另一个属性的测量精度。例如，对于像电子这样的微观粒子，可以知道其位置或速度，但无法同时精确知晓两者。量子压缩是一种通过牺牲一种测量精度来最大化另一种测量精度的技术。
在实验中，Diddams教授及其团队以一种令人惊讶的简单方式实现了量子压缩：他们通过普通光纤发送频率梳光脉冲，类似于将互联网信号传输到家庭的过程。光纤的结构以特定方式改变了光的传播，使激光的光子以更规律的间隔到达。然而，这种规律性的提升也带来了代价——测量光的频率或光子的振荡变得更加困难。
尽管如此，这种权衡使研究人员能够以更少的错误检测气体分子。他们在实验室中用硫化氢样品测试了这种方法，硫化氢是一种在火山爆发中常见的气体，具有臭鸡蛋气味。实验结果显示，使用压缩频率梳检测这些分子的速度大约是传统设备的两倍，且在约1000倍的红外光范围内实现了这一效果，远超以往科学家的成果。
未来展望：量子传感器走向现实应用
尽管在将新型传感器推向实际应用之前仍有工作要做，但该团队对前景充满信心。Herman表示：“我们的发现表明，我们比以往任何时候都更接近在现实世界场景中应用量子频率梳技术。”Diddams教授也表示赞同：“科学家将这称为‘量子加速’。我们能够操纵量子力学中的基本不确定性关系，从而更快、更准确地测量某些事物。”
这项研究不仅展示了量子压缩技术在气体传感领域的巨大潜力，也为未来开发更高效、更灵敏的量子传感器奠定了坚实基础。
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