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    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    光纤陀螺仪测量飞机和其他运动物体的旋转和方向,在使用普通的经典光时,其精度受到固有的限制。在一项新的研究中,物理学家首次通过实验证明,使用纠缠光子克服了这个经典极限,即所谓的“发射噪声极限”,并达到了经典光无法达到的精确度。由奥地利科学院和维也纳量子科学与技术中心的马蒂亚斯•芬克(Matthias Fink)和鲁珀特•乌尔辛(Rupert Ursin)领导的物理学家们,在最新一期的《New Journal of Physics》上发表了一篇关于纠缠增强光子陀螺仪研究论文。

    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    马蒂亚斯•芬克说:我们已经证明,纠缠光子的产生已经达到了技术上的成熟水平,这使得我们能够在恶劣的环境下以亚镜头噪声准确度进行测量。光纤陀螺仪(FOGs)类似于常见的旋转陀螺仪,通常作为玩具出售,因为这两种陀螺仪都测量一个物体的旋转。然而,这两种设备使用的是不同机制:雾没有运动部件,而是利用光来进行测量。自旋陀螺仪是在19世纪发展起来的,而陀螺仪是在20世纪70年代末引进的,它是基于乔治·萨尼亚克(Georges Sagnac)在1913年首次观察到的萨尼亚克效应。

    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    • (左)光纤陀螺仪实验装置及(右)光学设计。图片:Fink et al. ©2019 IOP Publishing

    当时,萨尼亚克希望能探测到以太介质,人们认为光就是通过以太介质传播,但他的实验却成为支持相对论的基本测试之一。当两束光束在干涉仪中以不同的方向绕着一个环运动时,就会产生萨尼亚克效应。当干涉仪处于静止状态时,两束光通过圆环的时间是相同的,但当干涉仪开始旋转时,沿圆环旋转方向运动的光束会比另一束走得更远,因此到达探测器的时间也更长,这种时间差导致两束光之间的相位差,雾滴测量相位差的精度决定了整个旋转测量精度。

    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    雾滴精度受到几个噪声源的限制,主要的噪声源是射击噪声。由于光子的量子化,产生了射击噪声。当单个光子通过设备时,它们的离散性意味着流动不是完全平滑,从而产生白噪声。虽然可以通过增加功率(光子通过的速率)来降低拍摄噪声,但是更高的功率会增加其他类型的噪声,从而导致一种平衡。为了克服射击噪声的限制,在新研究中,物理学家们使用了一对纠缠光子,它们处于两种模式的叠加中,这样两个纠缠光子就能有效地沿两个方向穿过圆环。

    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    纠缠导致光子的德布罗意波长显著降低,从而导致精度超过了射击噪声限制,同样,也超过了经典光的最佳精度。研究人员预计,探测器技术的进步和更明亮光子源将使纠缠光子雾在不久的将来应用成为可能。总的来说,研究人员希望目前的结果代表着实现光纤陀螺仪最终灵敏度极限的重要第一步。一个有趣的问题是,除了镜头噪声,其他噪声源在多大程度上可以通过优化的光子态来减少或补偿。这些问题的答案可以通过实验评估其强度,在这种强度下,这些影响会变得非常显著。

    纠缠光子陀螺仪克服了光纤陀螺仪经典极限!

    参考期刊《New Journal of Physics》

    DOI: 10.1088/1367-2630/ab1bb2

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