2022-01-27
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羅徹斯特大學光學研究所的一支團隊，剛剛在光子器件上運用了新穎的干涉技術。通過在集成光子芯片上封裝一種使用逆弱值放大干涉信號的方法，其能夠避免增加外來輸入的“噪聲”。更確切地說，這項技術開創性地合并了兩個及以上的光源。那樣干涉儀產生的圖案，可提供有關其照亮的一切的詳細信息。
圖自：J. Adam Fenster / University of Rochester
上圖展示的，就是由該校光學助力教授 Jaime Cardenas 和博士生 Meiting Song（研究一作）開發的 2×2 m㎡ 集成光子芯片。
從鏡子上的微小缺陷、到大氣中污染物的擴散，乃至宇宙遠處的引力圖案，逆弱值放大（inverse weak value amplification）技術都可派上相當大的用場。
通過打造更靈敏的設備，其最終有望在量子領域得到應用。Jaime Cardenas表示：
“如果你想要以極高精度測量某些東西，那光學干涉儀幾乎是繞不開的，畢竟光本身就是一把極其精確的尺子”。
Jaime Cardenas（左一）與 Meiting Song（右一）
現在，他們已經在卡德納斯實驗室創造了一種方法，能夠使這類重要的光學工具變得更加實用和靈敏。
由發表于《自然·通訊》期刊上的文章可知，這項技術突破基于波導的弱值放大理論。該理論由羅徹斯特大學物理學教授 Andrew Jordan 和他實驗室里的學生團隊提出。
結合十多年的研究經驗，他們最終以一種新穎的方式，將模式分析應用于具有弱值放大功能的自由空間干涉儀，從而彌合了自由空間和波導弱值放大之間的差距。
如此一來，他們得以順利地證明在光子芯片上集成弱值放大功能的理論可行性。
傳統干涉儀（上圖左）和只需一臺顯微鏡的新式芯片（上圖右）
Cardenas 解釋稱：除了功率，弱值放大技術可幾乎可視作沒有代價。因為你能夠在不增加噪聲的情況下放大信號，這本身就是個非常重要的問題。
背后的量子力學，基本上只涉及將包含所需信息的某些光子引導至檢測器。這個概念此前已被證明，但傳統裝置的構建和對齊工作相當費時費力。
好消息是，新研究將所有這些都凝練到了一處，并將之整合到光子芯片中。通過將干涉儀部署于芯片之上，你可隨心所欲地將它拿到手機里或飛機火箭上，而無需擔心產生錯位。
如上圖所示，Meiting Song 打造的設備，與傳統干涉儀看起來完全是兩碼事。新方案無需一組帶角度的鏡子來彎曲光線并產生干涉圖案，而是巧妙地利用波導方案。
研究配圖 - 1：自由空間弱值放大器件示意圖
此前從未有人真正討論過光子芯片的波前工程，而這正是《通過逆弱值放大增強片上相位測量》這項研究的新穎之處。
使用傳統干涉儀的時候，人們普遍只需提升激光功率來增大信噪比，從而產生更有意義的輸入。但實際上，該傳統方法仍存在一個限制。
因為與干涉儀搭配使用的傳統探測器，在飽和之前也只能應付一定閾值內的激光功率，之后的信噪比提升就很困難了。
研究配圖 - 2：單個組件示意
另一方面，新裝置通過讓更少的干涉儀信號抵達相同的探測器而化解這方面的限制，從而騰出了繼續增加激光功率來提升信噪比的空間。
即便在相同的功率水平下，弱值設備亦擁有較傳統干涉儀方案更優的信噪比。這項工作的物理和工程技藝，都相當的微妙和酷炫。
下一步，研究團隊還將嘗試容納壓縮 / 糾纏光子方案，以使之適用于相干通信和量子應用，從而讓量子陀螺儀等裝置走向現實。