La metrología cuántica mejorada ha sido un área activa de investigación durante varios años debido a sus múltiples aplicaciones posibles, desde relojes atómicos hasta imágenes biológicas. Investigaciones de física anteriores establecieron que tener una sonda no clásica, como luz exprimida o un estado de giro enredado, puede tener beneficios significativos en comparación con las sondas clásicas. Esta idea se exploró más a fondo en varios trabajos recientes, algunos de los cuales también consideraron los beneficios de examinar múltiples muestras distintas con sondas no clásicas.

Inspirado por estos estudios, Investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca y la Universidad de Copenhague han llevado a cabo recientemente un experimento que investiga las ventajas de usar una red cuántica entrelazada para detectar un cambio de fase promedio entre múltiples nodos distribuidos. Su papel publicado en Física de la naturaleza , introduce una serie de técnicas que podrían ayudar a recolectar mediciones más precisas en una variedad de áreas.

"Estudios recientes demostraron que tener correlaciones no clásicas entre sondas que abordan diferentes muestras podría conducir a una ganancia en comparación con tener sondas no correlacionadas, "Johannes Borregaard, el investigador que inició el proyecto, dijo Phys.org. "Esto nos inspiró a investigar si tales ventajas podrían demostrarse utilizando la tecnología actual".

En su estudio, Borregaard y sus colegas se centraron en la detección de luz exprimida y homodina, que ahora son técnicas de detección establecidas. El objetivo general del experimento era medir una propiedad global de múltiples objetos separados espacialmente e investigar si sondear estos objetos simultáneamente con luz entrelazada conducía a resultados más precisos que sondearlos individualmente. Los investigadores encontraron que el uso de una red cuántica para sondear los objetos simultáneamente permitió la detección de fase con una precisión mucho mayor que la que se puede obtener al examinar las sondas individualmente.

"En esta demostración en particular, Queríamos estimar el promedio de múltiples cambios de fase óptica, "Xueshi Guo, autor principal del artículo, dijo Phys.org. "Medimos los cambios de fase (que establecimos con placas de ondas a un valor conocido) enviando un rayo láser débil y detectando el cambio en la cuadratura de fase de la luz con detectores homodinos".

Generar luz entrelazada y distribuirla entre diferentes sitios, los investigadores utilizaron un método bastante simple. Primero, crearon un estado de luz de fase exprimida, que es un estado cuántico estándar no clásico. Luego lo dividieron en múltiples haces usando divisores de haz.

Esto resultó en sondas de luz con ruido reducido en la cuadratura de fase, pero solo cuando todas las sondas se midieron simultáneamente. Esta es precisamente la propiedad requerida para lograr una mejor relación señal / ruido en la estimación de la fase promedio sin aumentar la energía (es decir, número de fotones) en los estados de la sonda.

"En el experimento teníamos cuatro muestras de fase en total, "Guo explicó." La ganancia que se puede lograr mediante el entrelazamiento se limita teóricamente a un factor de 2. Sin embargo, a medida que aumenta el número de muestras, también lo hace la ganancia alcanzable ".

Los investigadores descubrieron que la ventaja de utilizar la detección cuántica distribuida se vuelve realmente significativa cuando se va a medir una propiedad de muchos objetos conectados en una red óptica. Para lograr con éxito un aumento en la precisión, sin embargo, las pérdidas en la red y los detectores deben mantenerse bajas, de lo contrario, la ventaja cuántica desaparece.

"El logro clave de nuestro estudio es la demostración experimental de las ventajas asociadas con el uso del entrelazamiento multimodo para la detección distribuida, ", Dijo Borregaard." Estudios teóricos anteriores habían predicho tales ventajas, pero a menudo consideraron escenarios altamente idealizados y estados de prueba o técnicas de detección experimentalmente muy desafiantes. Nuestro trabajo confirma que tales ventajas son accesibles incluso con la ruidosa tecnología actual ".

En el futuro, las técnicas demostradas por Borregaard, Guo y sus colegas podrían tener implicaciones importantes para varias áreas diferentes de investigación y desarrollo tecnológico. Por ejemplo, podrían ayudar a mejorar la sensibilidad de las herramientas de seguimiento molecular, relojes atómicos, y técnicas de magnetometría óptica.

Aunque solo más investigaciones determinarán en qué medida cada una de estas aplicaciones puede beneficiarse de los métodos introducidos por los investigadores, este estudio reciente ofrece información valiosa sobre cómo se puede lograr la metrología mejorada cuántica utilizando tecnologías fácilmente disponibles, como la generación de luz exprimida y la detección homodina. En su trabajo futuro, los investigadores planean continuar investigando el uso de luz comprimida multimodo en otros contextos, en particular para aplicaciones de computación cuántica óptica.

"En nuestro experimento, en realidad no usamos los estados óptimos de la sonda y los métodos de medición permitidos por la teoría cuántica, por lo que sería emocionante demostrar el problema de la detección distribuida con esos recursos, "Jonas S. Neergaard-Nielsen, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Es más, Podría ser interesante distribuir la luz entrelazada a lugares lejanos en una red de fibra instalada para mostrar la aplicabilidad del esquema en el mundo real ".

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