實(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)量紅外電場(chǎng)，并將時(shí)域光譜靈敏度提高一倍。這項(xiàng)研究有助于在安全監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)量材料隨時(shí)間變化的分子組成，這是其他形式的光譜技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主費(fèi)倫茨·克勞斯團(tuán)隊(duì)最近研究表明，時(shí)域光譜可用于檢測(cè)血液樣本中癌癥等疾病的早期跡象。然而，時(shí)域光譜依賴傳統(tǒng)光源來探測(cè)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(diǎn)后，噪聲會(huì)超過信號(hào)，無法進(jìn)一步獲取關(guān)于樣本組成的更多信息。

團(tuán)隊(duì)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(duì)的雙激光脈沖來探測(cè)紅外場(chǎng)。雖然兩束光都會(huì)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(cè)量結(jié)果從另一束光的測(cè)量結(jié)果中減去時(shí)，原本在傳統(tǒng)光測(cè)量中被散粒噪聲掩蓋的信號(hào)就會(huì)顯現(xiàn)出來，從而使測(cè)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(duì)表示，盡管這項(xiàng)技術(shù)仍在開發(fā)中，但未來時(shí)域光譜可以幫助他們更好地了解材料的構(gòu)成，檢測(cè)大氣中的污染物或爆炸物等危險(xiǎn)物質(zhì)的痕跡，或探測(cè)患者血液樣本中嚴(yán)重疾病的分子濃度。新研究同時(shí)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(duì)將探索如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升這項(xiàng)技術(shù)，這可能涉及采用引力波探測(cè)器中使用的干涉測(cè)量技術(shù)。

審核編輯 黃宇