Новый квантовый интерферометр поражает точностью: секреты измерений в шумных условиях

Что если точность измерений можно увеличить, используя квантовые свойства света, и при этом делать это быстрее и в сложнейших условиях? Именно такой прорыв совершили ученые из Иллинойсского университета под руководством профессора Пола Квиата. Они создали инновационный оптический интерферометр, который значительно превосходит классические методы в измерениях на нанометровом уровне.

Новый уровень точности в сложных условиях

"Сочетая квантовую интерференцию и запутанность фотонов, мы добиваемся измерений, которые раньше были практически недоступны существующим технологиям", — заявил аспирант и ведущий автор исследования Колин Луалди.

Этот инструмент способен работать даже в условиях сильного фонового шума и оптических потерь — традиционные методы часто здесь бессильны. Технология позволяет измерять очень тонкие или слабо пропускающие свет материалы, а также биологические ткани, не касаясь их физически. Благодаря этому она становится незаменимой в медицинской диагностике, мониторинге систем на расстоянии и исследованиях материалов.

Как работает классическая и квантовая интерферометрия

Классическая оптическая интерферометрия — это основа точных измерений с помощью света. Свет делится на два луча, которые проходят по разным путям и затем снова встречаются, создавая интерференционный сигнал. Изменения этого сигнала позволяют определить толщину материала или расстояние с точностью до долей нанометра.

Однако классические методы имеют ограничения. Они плохо справляются с материалами, которые слабо пропускают свет, и уязвимы к фоновому свету, что снижает чувствительность.

В квантовой интерферометрии свет рассматривается как поток отдельных фотонов. При этом два фотона запутываются — их свойства тесно связаны независимо от расстояния между ними. В квантовом интерферометре один фотон проходит через образец, второй служит эталоном. Благодаря запутанности интерференционный сигнал сохраняет идеальный контраст, даже если материал плохо пропускает свет.

"Пока мы регистрируем пару фотонов, контраст интерференции остаётся максимальным — это ключевое квантовое преимущество", — отметил Луалди.

Еще один плюс — квантовое измерение устойчиво к фоновому свету, поскольку регистрируются фотонные события в ультракоротком временном окне, почти полностью исключающем шум.

Экстремальная цветовая запутанность: секрет высокой чувствительности

Одним из главных достижений команды стало использование феномена экстремальной цветовой запутанности. Здесь два фотона имеют кардинально разные цвета, например, с длинами волн около 810 и 1550 нанометров. Чем больше разница в цветах, тем выше чувствительность интерферометра.

"Мы используем только узкие полосы синего и красного, а не весь спектр, что облегчает эксперименты и повышает скорость измерений", — рассказывает Луалди.

Их установка генерирует сотни тысяч таких пар фотонов в секунду, позволяя быстро получать данные.

Проверка на практике: измерение тонких металлических пленок

Чтобы подтвердить эффективность, ученые измерили металлическую пленку с низкой пропускной способностью. Результаты квантового интерферометра совпали с данными атомно-силовой микроскопии, подтвердив нанометровую точность и высокую скорость — измерения заняли всего несколько секунд.

Потенциал для биологии и материаловедения

Новый инструмент обещает революцию в биологических исследованиях благодаря низкой интенсивности света и высокой чувствительности. Это позволяет изучать чувствительные ткани — например, мозг или сетчатку — быстрее и менее инвазивно, чем современные методы.

Кроме того, технология открывает новые возможности для наблюдения за светочувствительными микроорганизмами в естественных условиях, без ярких прожекторов, которые могут им повредить.

Команда также исследует потенциал устройства для измерения вибраций и динамических процессов на нанометровом уровне — задачи, которые ранее были крайне сложны.

Что дальше?

"Мы стремимся адаптировать нашу технологию для самых разных задач — от биологических образцов до интеграции с другими инструментами, такими как атомно-силовая микроскопия", — отметил профессор Пол Квят.

Это позволит расширить возможности научных исследований и повысить точность измерений в самых разных областях.