Художественная иллюстрация сверхточного датчика на основе массива мембран и запутанных лазерных лучей. Изображение: University of Michigan
Исследователи из Аризонского университета использовали квантовую запутанность, чтобы повысить чувствительность измерений оптомеханических датчиков. Их можно использовать в качестве сверхточных акселерометров или детекторов темной материи, пишет «Хайтек».
Оптомеханические датчики измеряют с помощью световых волн силы, воздействующие на чувствительное механическое устройство, объясняют ученые. Они основаны на двух синхронизированных лазерных лучах, которые отражаются от сенсора. Любое движение меняет расстояние, которое проходит свет на пути к детектору. Если датчик неподвижен, две волны идеально выровнены. Но если датчик движется, они создают интерференционную картину.
В классических интерферометрических системах чем дальше распространяется свет, тем точнее становится система. Чтобы обеспечить высокую точность миниатюрных оптомеханических датчиков, физики использовали квантовую запутанность.
Вместо того чтобы разделить свет один раз, чтобы он отражался от датчика и зеркала, они разделили каждый луч дважды, чтобы свет отражался от двух датчиков и двух зеркал. В качестве датчиков использовались мембраны толщиной всего 100 нм, которые двигаются в ответ на очень небольшие силы.
Схема предложенной установки. Изображение: Yi Xia et al., Nature Photonics
Удвоение датчиков повышает точность, так как мембраны должны вибрировать синхронно друг с другом, но запутанность добавляет дополнительный уровень координации, отмечают ученые. Они «сжали» лазерный луч. В квантово-механических объектах, таких как фотоны, существует фундаментальный предел того, насколько точно могут быть известны положение и импульс частицы. Поскольку фотоны также являются волнами, это выражается в фазе волны (где она находится в своих колебаниях) и ее амплитуде (сколько энергии она несет).
"Сжатие перераспределяет неопределенность, так что сжатый компонент известен более точно, а антисжатый компонент несет больше неопределенности. Мы сжали фазу, потому что это то, что нам нужно было знать для нашего измерения", - пояснил И Ся, соавтор исследования.
Поскольку флуктуации в двух запутанных лучах связаны, погрешности в их фазовых измерениях коррелируют. В результате эксперимента ученые получили измерения, которые на 40% точнее, чем с двумя неспутанными лучами, и сделали это на 60% быстрее. Расчеты показывают, что точность и скорость возрастут пропорционально количеству датчиков.
Разработчики отмечают, что такие чувствительные датчики можно использовать для инерциальной навигации на планете, на которой нет спутников GPS, или внутри здания, когда человек перемещается по разным этажам. Кроме того, с их помощью можно измерять минимальные гравитационные возмущения, связанные с темной материей. Исследователи продолжат работать над миниатюризацией устройства, чтобы его можно было встроить в прибор размером со смартфон.
