橡树岭国家实验室 ORNL的研究人员开发了一种用于原子力显微镜的量子或压缩光方法，能够测量被噪声掩盖的信号
信用:拉斐尔·普瑟，美国ORNL
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能量的 能源部橡树岭国家实验室的研究人员使用量子光学来推进最先进的显微镜技术，并以比传统工具更高的灵敏度来检测材料特性
“我们展示了如何使用压缩光——量子信息科学的主力——作为显微镜的实用资源，”ORNL材料科学与技术部门的本·劳里说，他与ORNL计算科学与工程部门的拉斐尔·普塞尔一起领导了这项研究
“我们测量了原子力显微镜微悬臂的位移，灵敏度优于标准量子极限
" 与今天的经典显微镜不同，普塞尔和劳里的量子显微镜需要量子理论来描述其灵敏度
ORNL显微镜中的非线性放大器产生一种被称为压缩光的特殊量子光源
“想象一张模糊的照片，”普瑟说
“太吵了，还隐藏了一些细微的细节
古典的、嘈杂的光线让你看不到那些细节
“压缩”版本不那么模糊，揭示了我们之前因为噪音而看不到的细节
他补充说，“我们可以用压缩光源代替激光来降低传感器读数中的噪声。”
" 原子力显微镜的微型悬臂是一个微型潜水板，它有条不紊地扫描样品，当它感应到物理变化时就会弯曲
学生实习生尼克·萨维诺、艾玛·巴特森、杰夫·加西亚和雅各布·贝克、劳里和普塞尔向我们展示了他们发明的量子显微镜可以测量微型悬臂的位移，其灵敏度比传统方法高50%
对于一秒钟长的测量，量子增强灵敏度为1
7毫微微米——大约是碳核直径的两倍
普瑟说:“压缩光源已经被用来为探测黑洞合并产生的引力波提供量子增强的灵敏度。”
“我们的工作有助于将这些量子传感器从宇宙尺度转化到纳米尺度
" 他们的量子显微镜方法依赖于光波的控制
当波结合时，它们可以建设性地干涉，这意味着峰值的振幅增加，导致波变大
或者它们可以相消干涉，也就是说波谷振幅从峰值振幅中减去，使产生的波变小
这种效应可以从池塘中的波浪或者像激光一样的电磁波中看到
劳里说:“干涉仪将两束光束分开，然后混合，以测量相位的微小变化，当两束光束重新组合时，这些变化会影响两束光束的干涉。”
“我们采用了非线性干涉仪，它使用非线性光学放大器进行分离和混合，以达到传统上无法达到的灵敏度
" 这项发表在《物理评论快报》上的跨学科研究是非线性干涉测量法的首次实际应用
量子力学的一个众所周知的方面，海森堡测不准原理，使得不可能绝对确定地定义粒子的位置和动量
光的振幅和相位也存在类似的不确定关系
这一事实给依赖激光等经典光源的传感器带来了一个问题:它们能达到的最高灵敏度最小化了海森堡不确定性关系，每个变量的不确定性相等
压缩光源降低了一个变量的不确定性，同时增加了另一个变量的不确定性，从而“压缩”了不确定性分布
出于这个原因，科学界使用挤压来研究大大小小的现象
这种量子传感器的灵敏度通常受到光学损耗的限制
“压缩态是脆弱的量子态，”普瑟说
“在这个实验中，我们能够通过利用纠缠的特性来绕过这个问题
“纠缠意味着独立的物体表现为一体
爱因斯坦称之为“幽灵般的远距离动作”
在这种情况下，光束的强度在量子水平上是相互关联的
“由于纠缠，如果我们测量一束光的功率，就可以不用测量就预测另一束光的功率，”他继续说道
“由于纠缠，这些测量噪声较小，这为我们提供了更高的信噪比
" ORNL的量子显微镜方法广泛适用于任何传统上使用激光进行信号读出的优化传感器
劳里说:“例如，传统的干涉仪可以被非线性干涉测量法取代，以实现生物化学传感、暗物质探测或材料磁性表征的量子增强灵敏度。”
论文的题目是“量子增强原子力显微镜的截断非线性干涉测量法”
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