В серии бумаг с 2008, члены Optical and Quantum Communications Group в Научно-исследовательской лаборатории MIT Электроники утверждали, что оптические системы, которые используют запутанный свет, могут выиграть у классических оптических систем – даже когда запутанность ломается.Два года назад они показали, что системы, которые начинаются с запутанного света, могли предложить намного более действенные средства обеспечения оптических коммуникаций.
И теперь, в газете, появляющейся в Physical Review Letters, они демонстрируют, что запутанность может также улучшить работу оптических датчиков, даже когда это не переживает взаимодействие света с окружающей средой.«Это – что-то, что отсутствовало в понимании, что много людей имеет в этой области», говорят старший научный сотрудник Франко Вонг, один из соавторов газеты и, вместе с Джеффри Шапиро, профессором Джулиуса А. Стрэттона Электротехники, соруководителем Optical and Quantum Communications Group. «Они чувствуют что, если неизбежная потеря и шум делают свет измеренным взгляд абсолютно классический, то нет никакой выгоды для того, чтобы начинаться с чем-то кванта. Поскольку, как это может помочь?
И то, что показывает этот эксперимент, – то, что да, он может все еще помочь».Постепенно введенныйЗапутанность означает, что физическое состояние одной частицы ограничивает возможные государства другого. У электронов, например, есть собственность, названная вращением, которое описывает их магнитную ориентацию.
Если два электрона вращаются вокруг ядра атома на том же самом расстоянии, у них должны быть противоположные вращения. Эта запутанность вращения может сохраниться, даже если электроны оставляют орбиту атома, но взаимодействия с окружающей средой ломают его быстро.
В системе исследователей MIT запутаны два пучка света, и один из них сохранен в местном масштабе – мчащийся через оптоволокно – в то время как другой спроектирован в окружающую среду. Когда свет от спроектированного луча – «исследование» – отражено назад, это несет информацию об объектах, с которыми это столкнулось. Но этот свет также испорчен экологическими влияниями тот, инженеры называют «шум».
Переобъединение его с в местном масштабе сохраненным лучом помогает подавить шум, возвращая информацию.Местный луч полезен для подавления шумов, потому что его фаза коррелируется с тем из исследования. Если Вы думаете о свете как о волне с обычными гребнями и корытами, два луча находятся в фазе, если их гребни и корыта совпадают.
Если гребни каждый выровнен с корытами другого, их фазы антикоррелируются.Но свет может также считаться состоящий из частиц или фотонов.
И на уровне частицы, фаза – более темное понятие.«Классически, Вы можете подготовить лучи, которые абсолютно противоположны в фазе, но это – только действительное понятие в среднем», говорят Чжэшэнь Чжан, postdoc в Optical and Quantum Communications Group и первом авторе на новой бумаге. «В среднем они противоположны в фазе, но квантовая механика не позволяет Вам точно измерять фазу каждого отдельного фотона».Улучшение разногласий
Вместо этого квантовая механика интерпретирует фазу статистически. Учитывая конкретные измерения двух фотонов, от двух отдельных пучков света, есть некоторая вероятность, что фазы лучей коррелируются.
Чем больше фотонов, которые Вы измеряете, тем больше Ваша уверенность, что лучи или коррелируются или нет. С запутанными лучами та уверенность увеличивается намного более быстро, чем она делает с классическими лучами.Когда луч исследования взаимодействует с окружающей средой, шум, который это накапливает также, увеличивает неуверенность в следующих измерениях фазы. Но это так верно для классических лучей, как это имеет запутанные лучи.
Поскольку запутанные лучи начинаются с более сильными корреляциями, даже когда шум заставляет их отступать в классических пределах, они все еще плата за проезд лучше, чем классические лучи делают при тех же самых обстоятельствах.«Выход в цель и отражение и затем возвращение из цели уменьшают корреляцию между исследованием и справочным лучом тем же самым фактором, независимо от того, начали ли Вы в квантовом пределе или начали в классическом пределе», говорит Шапиро. «Если Вы начали с квантового случая, это так много раз больше, чем классический случай, то относительное преимущество остается то же самое, как раз когда оба луча становятся классическими из-за потери и шума».В экспериментах, которые сравнили оптические системы, которые использовали запутанный легкий и классический свет, исследователи нашли, что системы запутанного света увеличили отношение сигнал-шум – мера того, сколько информации может быть возвращено от отраженного исследования – на 20 процентов. Это согласовалось очень хорошо с их теоретическими предсказаниями.
Но теория также предсказывает, что улучшения в качестве оптического оборудования, используемого в эксперименте, могли удвоить или возможно даже увеличить отношение сигнал-шум в четыре раза. Так как ошибка обнаружения уменьшается по экспоненте с отношением сигнал-шум, которое могло перевести к миллиону увеличений сгиба чувствительности.