實驗裝置示意圖

一支由工程師和物理學(xué)家組成的國際團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種利用量子光提升光譜技術(shù)性能的方法。這一新技術(shù)能夠測量紅外電場，并將時域光譜靈敏度提高一倍。這項研究有助于在安全監(jiān)測和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域開拓出新的應(yīng)用。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

目前，時域光譜使用的超短激光脈沖可穿過材料樣本或從材料樣本反射回來。該過程能夠精確測量材料隨時間變化的分子組成，這是其他形式的光譜技術(shù)無法實現(xiàn)的。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎得主費倫茨·克勞斯團(tuán)隊最近研究表明，時域光譜可用于檢測血液樣本中癌癥等疾病的早期跡象。然而，時域光譜依賴傳統(tǒng)光源來探測樣本，由于激光光束的散粒噪聲特性，其分辨率受到限制。傳統(tǒng)光的這一局限性意味著，超過某一特定點后，噪聲會超過信號，無法進(jìn)一步獲取關(guān)于樣本組成的更多信息。

團(tuán)隊利用量子光突破了傳統(tǒng)光的局限。他們使用通過量子力學(xué)相互配對的雙激光脈沖來探測紅外場。雖然兩束光都會受到散粒噪聲的影響，但這種噪聲在兩束光中的表現(xiàn)是相同的。因此，將一束光的測量結(jié)果從另一束光的測量結(jié)果中減去時，原本在傳統(tǒng)光測量中被散粒噪聲掩蓋的信號就會顯現(xiàn)出來，從而使測量變得更加靈敏。新方法產(chǎn)生的噪聲大約是傳統(tǒng)光的一半，因此靈敏度可提高一倍。

噪聲分析圖

團(tuán)隊表示，盡管這項技術(shù)仍在開發(fā)中，但未來時域光譜可以幫助他們更好地了解材料的構(gòu)成，檢測大氣中的污染物或爆炸物等危險物質(zhì)的痕跡，或探測患者血液樣本中嚴(yán)重疾病的分子濃度。新研究同時證明了量子輻射在提高該技術(shù)靈敏度方面的有效性。下一步，團(tuán)隊將探索如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升這項技術(shù)，這可能涉及采用引力波探測器中使用的干涉測量技術(shù)。

審核編輯 黃宇