Дослідники значно підвищили швидкість і чутливість газових сенсорів завдяки використанню квантового стиснення для лазерів з оптичним частотним гребенем. Цей інноваційний підхід, який стискає світло для точного налаштування його властивостей, подвоїв швидкість виявлення газів, таких як метан, і ознак вірусів в атмосфері. Технологія не лише прискорює процес, але й знижує кількість помилок, що відкриває нові можливості для моніторингу безпеки та здоров’я.
Квантове стиснення у сенсорах
Секрет створення кращого квантового сенсора? Досить трохи його «стиснути». Вчені досягли прориву у квантових сенсорах, застосувавши техніку «квантового стиснення» для підвищення продуктивності лазерів із частотним гребенем — пристроїв, які працюють як сканери відбитків пальців для газових молекул. Ці надзвичайно точні сенсори вже використовуються для виявлення витоків метану в нафтогазовій промисловості та для виявлення ознак COVID-19 у зразках дихання.
Підвищення швидкості виявлення газів за допомогою нових технологій
У лабораторних експериментах дослідники показали спосіб зробити ці сенсори ще більш чутливими та значно швидшими. Їхній підхід подвоїв швидкість виявлення лазерами з частотним гребенем, відкриваючи шлях до швидшого та точнішого вимірювання газів. Це революційне дослідження — результат співпраці Скотта Діддамса з Університету Колорадо в Боулдері та Жерома Женеста з Університету Лаваля в Канаді.
«Уявіть ситуацію, коли потрібно виявити незначну кількість небезпечного газу на виробництві. Якщо це займе 10 хвилин замість 20, це може суттєво вплинути на безпеку людей», — зазначив Діддамс, професор кафедри електротехніки, комп’ютерних та енергетичних технологій.
Прорив у технології частотних гребенів
Звичайні лазери випромінюють світло лише одного кольору, тоді як лазери з частотним гребенем генерують тисячі або мільйони кольорів одночасно. У новому дослідженні вчені використали оптоволокно для точного налаштування імпульсів лазера, «стискаючи» світло таким чином, щоб зробити деякі його властивості більш точними, а інші — трохи випадковішими. Це дослідження долає природну випадковість та флуктуації, які існують у квантовій фізиці на дуже малих масштабах.
«Подолати квантову невизначеність непросто, але це важливий крок до створення нових потужних квантових сенсорів», — сказав Діддамс.
Подолання квантової невизначеності за допомогою стисненого світла
Лазери з частотним гребенем, винайдені в JILA (спільному дослідницькому інституті Університету Колорадо та Національного інституту стандартів і технологій), функціонують як сканери молекул. Світло, проходячи через атмосферу, поглинається молекулами, залишаючи пропуски в спектрі, які вчені використовують для ідентифікації газів. Але такі вимірювання супроводжуються невизначеностями через випадкову природу фотонів, які утворюють світло.
Застосування квантового стиснення до часового інтервалу фотонів
Квантове стиснення дозволяє підвищити точність одного параметра (наприклад, часу прибуття фотонів) за рахунок зниження точності іншого (наприклад, частоти світла). Вчені досягли цього, пропустивши лазерні імпульси через оптоволокно, що стабілізувало інтервали між фотонами. Ця зміна дозволила вдвічі швидше виявляти молекули водню сульфіду — газу, який поширений під час вулканічних вивержень і має запах тухлих яєць.
Нові перспективи для польових застосувань
«Ми ближче, ніж будь-коли, до застосування квантових частотних гребенів у реальних умовах», — сказав Деніел Герман, провідний автор дослідження.
Діддамс підсумував: «Ми змогли маніпулювати фундаментальними квантовими законами, щоб вимірювати швидше та краще».