Ученые из Иллинойсского университета разработали инновационный прибор для сверхточных измерений в наномасштабе даже при наличии фонового шума и значительных потерь света от изучаемого материала. Новейшая технология основана на применении уникальных свойств света — квантовой интерференции и цветовой запутанности фотонов. Она обеспечивает беспрецедентную точность и скорость измерений по сравнению с традиционными подходами, пишет Phys.org.
Метод оптической интерферометрии считается современным эталоном высокоточных измерений. Он основан на классических законах физики, связанных с явлениями интерференции света. Суть в следующем: когда два световых пучка пересекаются, их пики и впадины могут совпадать и либо взаимно усиливаться (конструктивная интерференция), увеличивая общую интенсивность света, либо компенсировать друг друга (деструктивная интерференция), уменьшая суммарную интенсивность.
Классическая оптическая интерферометрическая установка состоит из лазера, который пропускает луч света через светоделитель. Одна световая волна проходит по вертикальному плечу, а другая — по горизонтальному. Зеркало на конце каждого плеча отражает световые волны, которые возвращаются и встречаются на светоделителе. Принцип работы квантового интерферометра похож на классический: каждый фотон направляется отдельно по одному из плеч. После прохождения одного пути сквозь образец и другого в качестве контрольного оба фотона соединяются, формируя сигнал интерференции на приемнике. Такой подход значительно повышает надежность и точность измерений.
Использование квантовых явлений кардинально меняет ситуацию с проблемой измерения низкопрозрачных материалов. Интерференционная картина остается стабильной, поскольку одинаковые потери света равномерно распределяются между обоими участвующими фотонами. Кроме того, квантовый интерферометр характеризуется повышенной нечувствительностью к фону окружающей среды.
Во время разработки измерителя ученые решили применить технику запутывания фотонов. Запутывание — это квантовый эффект, при котором состояния двух частиц оказываются взаимосвязаны вне зависимости от расстояния между ними. Запутывая цвета фотонов, можно добиться значительного увеличения чувствительности интерферометра. Чем больше разнесены цвета запутанных фотонов, тем выше чувствительность интерферометра. Например, запутанный красный и малиновый фотоны дадут менее выраженный сигнал, чем связанное сочетание красного и синего фотонов, обладающее максимальной разницей в цвете («экстремальная цветовая запутанность»).
Ученые тестировали прибор с помощью тонкой металлической пленки с минимальной оптической прозрачностью. Полученные данные подтвердили точность измерений нового устройства, позволившего провести замер с нанометрической точностью буквально за несколько секунд. Разработанная технология демонстрирует один из редких примеров успешного перехода теоретических достижений квантовой механики в прикладную область, предоставляя новые возможности для множества отраслей науки и техники.
Ранее мы писали про открытие необычного явления в квантовом материале. Феномен представляет особую ценность для разработки электронных технологий будущего.
