Avanzamenti nel sensing quantistico distribuito usando amplificatori ottici

La misurazione quantistica distribuita (DQS) sfrutta le caratteristiche quantistiche per misurare proprietà sconosciute di un sensore connesso che va oltre quello che i metodi classici possono fare. Questo metodo sta diventando sempre più importante perché può affrontare sfide in diverse aree come la rilevazione delle onde gravitazionali, la misurazione di forze e la rilevazione di segnali a radiofrequenza. L'approccio tradizionale per queste misurazioni ha delle limitazioni, specialmente quando si tratta di perdite e larghezza di banda. Questo articolo discute un nuovo metodo che sfrutta amplificatori parametrici ottici (OPA) per migliorare le prestazioni della DQS.

#Background sulla Misurazione Quantistica Distribuita

L'obiettivo principale della DQS è misurare con precisione una quantità globale da più sensori quantistici distribuiti in diverse posizioni. Risorse quantistiche come stati squeeze possono migliorare la precisione di queste misurazioni rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, la sfida rimane nell'utilizzare efficacemente questi vantaggi in situazioni pratiche dove le perdite e le restrizioni di larghezza di banda possono compromettere le prestazioni.

I metodi tradizionali, in particolare la rilevazione omodina bilanciata (BHD), sono stati i più usati per tali compiti. Richiedono di mescolare un segnale quantistico debole con un forte oscillatore locale. Sebbene sia efficace, questo metodo ha delle limitazioni nella gestione delle perdite e delle operazioni ad alta larghezza di banda, che sono vitali per sistemi di misurazione quantistica scalabili.

#Le Limitazioni dei Metodi di Rilevazione Convenzionali

La BHD, sebbene utile, ha alcuni svantaggi significativi. Il primo è la sua dipendenza da sistemi elettronici che hanno larghezza di banda limitata, tipicamente nella gamma megahertz-gigahertz. Questo limita la possibilità di lavorare con campi quantistici ad alta frequenza. Inoltre, quando si verificano perdite a causa della propagazione della luce e delle inefficienze nei detector, le prestazioni di questi sistemi possono essere notevolmente influenzate. L'introduzione di fluttuazioni nel vuoto a causa delle perdite complica le misurazioni e porta a letture meno accurate.

In pratica, ciò significa che i vantaggi dell'intreccio quantistico non si traducono sempre in migliori prestazioni per gli esperimenti. L'inefficienza complessiva porta a limitazioni di rilevamento che possono ostacolare la misurazione precisa dello spostamento e di altri parametri. Alcuni sistemi più recenti hanno tentato di utilizzare il machine learning per migliorare la sensibilità ma spesso si basano ancora su questi metodi più vecchi e affrontano problemi simili.

#Un Nuovo Approccio: Utilizzare Amplificatori Parametrici Ottici Sensibili alla Fase

Questo articolo propone un approccio innovativo che affronta le limitazioni dei sistemi DQS esistenti impiegando OPA sensibili alla fase. Questi dispositivi amplificano i segnali quantistici senza introdurre rumore aggiuntivo, permettendo misurazioni migliori anche in presenza di perdite significative.

Il principale vantaggio dell'uso di OPA ad alta amplificazione è la loro capacità di migliorare la sensibilità pur essendo resistenti alle perdite. Questo metodo crea un segnale macroscopico da un ingresso quantistico microscopico, che può poi essere misurato in modo più semplice e accurato. Le capacità ad alta larghezza di banda degli OPA consentono di accedere a una gamma più ampia di frequenze, essenziale per una misurazione distribuita efficace.

#Descrizione dello Schema di Misurazione

Lo schema di misurazione proposto prevede l'uso di OPA ad alta amplificazione al posto della rilevazione omodina tradizionale. Questo metodo consente una misurazione migliorata dei segnali quantistici sfruttando le proprietà degli stati squeeze e della ottica lineare. Rompendo la simmetria delle misurazioni in quadratura, il sistema può stimare efficacemente gli spostamenti senza ambiguità.

Quando un campo quantistico passa attraverso un OPA ad alta amplificazione, la quadratura selezionata viene amplificata. Questo segnale amplificato può poi essere sottoposto a rilevazione della potenza, permettendo una misurazione precisa dello stato. Lo schema opera amplificando il segnale in ingresso, per poi introdurre spostamenti noti per garantire risultati distinti per diversi spostamenti.

#Rilevazione di Spostamenti a Modalità Singola

Inizialmente, il metodo proposto viene analizzato per la rilevazione di spostamenti a modalità singola. Questo prevede la preparazione di uno stato squeeze e la codifica di un segnale di spostamento. L'OPA ad alta amplificazione trasforma lo stato a un livello macroscopico, consentendo una misurazione efficace anche a bassi numeri di fotoni.

Controllando il guadagno dell'OPA e introducendo uno spostamento noto aggiuntivo, si può rompere la simmetria della misurazione. Questa tecnica porta a una sensibilità migliorata e a una migliore stima del parametro di spostamento sconosciuto. L'analisi mostra che il sistema può raggiungere prestazioni quasi ottimali, anche in presenza di perdite.

#Rilevazione di Spostamenti a Modalità Multipla

Il metodo può essere esteso anche alla rilevazione di spostamenti a modalità multipla. In scenari in cui più modalità portano segnali di spostamento diversi, il nostro sistema può misurare un output collettivo. Questo avviene impiegando array di beam splitter per combinare le informazioni provenienti da diverse modalità prima della rilevazione.

Ogni modalità viene amplificata tramite OPA ad alta amplificazione, e il metodo può gestire efficacemente spostamenti diversi. La chiave è ottimizzare la configurazione per estrarre accuratamente le informazioni sugli spostamenti combinati. Questo approccio a modalità multipla mantiene i vantaggi della tolleranza alle perdite, consentendo un'alta precisione nelle misurazioni.

#Affrontare la Perdita di Fotoni

Un aspetto importante nelle applicazioni pratiche è la presenza di perdita di fotoni. Il metodo proposto è progettato per mantenere la sua sensibilità anche con perdite. Analizzando gli effetti della perdita di fotoni in diverse fasi del processo di misurazione, è possibile valutare quanto bene il sistema funzioni in condizioni realistiche.

Gli OPA ad alta amplificazione possono contrastare efficacemente gli impatti negativi delle perdite. Selezionando con attenzione il guadagno e gli spostamenti noti, il sistema può adattarsi a perdite che potrebbero compromettere le prestazioni. Questa resilienza alle perdite è uno dei principali vantaggi dello schema proposto, rendendolo adatto per applicazioni nel mondo reale.

#Fattibilità Sperimentale

La fattibilità di implementare questo nuovo metodo è significativa. Recenti progressi negli OPA ad alta amplificazione hanno dimostrato la loro praticità in vari contesti. Questa tecnologia è pronta per essere integrata nei framework di misurazione quantistica esistenti, offrendo un modo per migliorare le prestazioni senza le complicazioni dei metodi di rilevazione tradizionali.

Inoltre, la scalabilità del sistema è migliorata sfruttando l'ampia larghezza di banda disponibile tramite la tecnologia OPA. La possibilità di lavorare su una vasta gamma di frequenze apre nuove strade per indagini in diversi campi, dalla scienza fondamentale alle tecnologie avanzate di rilevazione.

#Direzioni Future

I risultati presentati qui indicano possibilità entusiasmanti per la ricerca futura. C'è un potenziale per esplorare il ruolo dell'intreccio non gaussiano, che potrebbe ulteriormente migliorare le capacità dei sistemi DQS. L'interazione tra intreccio non gaussiano e misurazioni sensibili alla fase rappresenta un'area ricca per future esplorazioni.

Inoltre, sono possibili adattamenti di questo metodo per altri compiti di rilevazione oltre allo spostamento. Con il progresso della tecnologia, il framework esistente può essere generalizzato per varie applicazioni nella metrologia quantistica, migliorando l'impatto complessivo di tali tecniche di rilevazione.

#Conclusione

Questo lavoro presenta un progresso significativo nel campo della misurazione quantistica distribuita introducendo uno schema di misurazione tutto ottico, resistente alle perdite. L'uso di OPA ad alta amplificazione consente un nuovo livello di sensibilità affrontando le sfide poste dalle perdite e dalle restrizioni di larghezza di banda. I risultati supportano il potenziale di questo approccio per rivoluzionare il modo in cui vengono effettuate le misurazioni quantistiche, ponendo le basi per ulteriori innovazioni nel campo.

Man mano che la tecnologia continua a evolversi, le implicazioni di questi progressi potrebbero estendersi ben oltre le applicazioni attuali, portando potenzialmente a scoperte in vari ambiti scientifici e pratici. La combinazione di robustezza, scalabilità e sensibilità migliorata apre la strada alla prossima generazione di sistemi di misurazione quantistica.