科学探索|弱值放大技术让微型光子芯片变得更加实用和灵敏

罗彻斯特大学光学研究所的一支团队 , 刚刚在光子器件上运用了新颖的干涉技术 。通过在集成光子芯片上封装一种使用逆弱值放大干涉信号的方法 , 其能够避免增加外来输入的“噪声” 。更确切地说 , 这项技术开创性地合并了两个及以上的光源 。那样干涉仪产生的图案 , 可提供有关其照亮的一切的详细信息 。

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(图自: J. Adam Fenster / University of Rochester)
上图展示的 , 就是由该校光学助力教授 Jaime Cardenas 和博士生 Meiting Song(研究一作)开发的 2×2 m㎡ 集成光子芯片 。
从镜子上的微小缺陷、到大气中污染物的扩散 , 乃至宇宙远处的引力图案 , 逆弱值放大(inverse weak value amplification)技术都可派上相当大的用场 。
通过打造更灵敏的设备 , 其最终有望在量子领域得到应用 。Jaime Cardenas表示:
“如果你想要以极高精度测量某些东西 , 那光学干涉仪几乎是绕不开的 , 毕竟光本身就是一把极其精确的尺子” 。

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Jaime Cardenas(左一)与 Meiting Song(右一)
现在 , 他们已经在卡德纳斯实验室创造了一种方法 , 能够使这类重要的光学工具变得更加实用和灵敏 。
由发表于《自然·通讯》期刊上的文章可知 , 这项技术突破基于波导的弱值放大理论 。该理论由罗彻斯特大学物理学教授 Andrew Jordan 和他实验室里的学生团队提出 。
结合十多年的研究经验 , 他们最终以一种新颖的方式 , 将模式分析应用于具有弱值放大功能的自由空间干涉仪 , 从而弥合了自由空间和波导弱值放大之间的差距 。
如此一来 , 他们得以顺利地证明在光子芯片上集成弱值放大功能的理论可行性 。

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传统干涉仪(上图左)和只需一台显微镜的新式芯片(上图右)
Cardenas 解释称:除了功率 , 弱值放大技术可几乎可视作没有代价 。因为你能够在不增加噪声的情况下放大信号 , 这本身就是个非常重要的问题 。
背后的量子力学 , 基本上只涉及将包含所需信息的某些光子引导至检测器 。这个概念此前已被证明 , 但传统装置的构建和对齐工作相当费时费力 。
好消息是 , 新研究将所有这些都凝练到了一处 , 并将之整合到光子芯片中 。通过将干涉仪部署于芯片之上 , 你可随心所欲地将它拿到手机里或飞机火箭上 , 而无需担心产生错位 。
如上图所示 , Meiting Song 打造的设备 , 与传统干涉仪看起来完全是两码事 。新方案无需一组带角度的镜子来弯曲光线并产生干涉图案 , 而是巧妙地利用波导方案 。

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研究配图 - 1:自由空间弱值放大器件示意图
此前从未有人真正讨论过光子芯片的波前工程 , 而这正是《通过逆弱值放大增强片上相位测量》这项研究的新颖之处 。
使用传统干涉仪的时候 , 人们普遍只需提升激光功率来增大信噪比 , 从而产生更有意义的输入 。但实际上 , 该传统方法仍存在一个限制 。