羅徹斯特大學(xué)光學(xué)研究所的一支團(tuán)隊(duì)，剛剛在光子器件上運(yùn)用了新穎的干涉技術(shù)。通過(guò)在集成光子芯片上封裝一種使用逆弱值放大干涉信號(hào)的方法，其能夠避免增加外來(lái)輸入的“噪聲”。更確切地說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)性地合并了兩個(gè)及以上的光源。那樣干涉儀產(chǎn)生的圖案，可提供有關(guān)其照亮的一切的詳細(xì)信息。

（圖自： J. Adam Fenster / University of Rochester）

上圖展示的，就是由該校光學(xué)助力教授 Jaime Cardenas 和博士生 Meiting Song（研究一作）開(kāi)發(fā)的 2×2 m㎡ 集成光子芯片。

從鏡子上的微小缺陷、到大氣中污染物的擴(kuò)散，乃至宇宙遠(yuǎn)處的引力圖案，逆弱值放大（inverse weak value amplification）技術(shù)都可派上相當(dāng)大的用場(chǎng)。

通過(guò)打造更靈敏的設(shè)備，其最終有望在量子領(lǐng)域得到應(yīng)用。Jaime Cardenas 表示：

“如果你想要以極高精度測(cè)量某些東西，那光學(xué)干涉儀幾乎是繞不開(kāi)的，畢竟光本身就是一把極其精確的尺子”。

　　Jaime Cardenas（左一）與 Meiting Song（右一）

現(xiàn)在，他們已經(jīng)在卡德納斯實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了一種方法，能夠使這類重要的光學(xué)工具變得更加實(shí)用和靈敏。

由發(fā)表于《自然·通訊》期刊上的文章可知，這項(xiàng)技術(shù)突破基于波導(dǎo)的弱值放大理論。該理論由羅徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授 Andrew Jordan 和他實(shí)驗(yàn)室里的學(xué)生團(tuán)隊(duì)提出。

結(jié)合十多年的研究經(jīng)驗(yàn)，他們最終以一種新穎的方式，將模式分析應(yīng)用于具有弱值放大功能的自由空間干涉儀，從而彌合了自由空間和波導(dǎo)弱值放大之間的差距。

如此一來(lái)，他們得以順利地證明在光子芯片上集成弱值放大功能的理論可行性。

　　傳統(tǒng)干涉儀（上圖左）和只需一臺(tái)顯微鏡的新式芯片（上圖右）

Cardenas 解釋稱：除了功率，弱值放大技術(shù)可幾乎可視作沒(méi)有代價(jià)。因?yàn)槟隳軌蛟诓辉黾釉肼暤那闆r下放大信號(hào)，這本身就是個(gè)非常重要的問(wèn)題。

背后的量子力學(xué)，基本上只涉及將包含所需信息的某些光子引導(dǎo)至檢測(cè)器。這個(gè)概念此前已被證明，但傳統(tǒng)裝置的構(gòu)建和對(duì)齊工作相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

好消息是，新研究將所有這些都凝練到了一處，并將之整合到光子芯片中。通過(guò)將干涉儀部署于芯片之上，你可隨心所欲地將它拿到手機(jī)里或飛機(jī)火箭上，而無(wú)需擔(dān)心產(chǎn)生錯(cuò)位。

如上圖所示，Meiting Song 打造的設(shè)備，與傳統(tǒng)干涉儀看起來(lái)完全是兩碼事。新方案無(wú)需一組帶角度的鏡子來(lái)彎曲光線并產(chǎn)生干涉圖案，而是巧妙地利用波導(dǎo)方案。

　　研究配圖 - 1：自由空間弱值放大器件示意圖

此前從未有人真正討論過(guò)光子芯片的波前工程，而這正是《通過(guò)逆弱值放大增強(qiáng)片上相位測(cè)量》這項(xiàng)研究的新穎之處。

使用傳統(tǒng)干涉儀的時(shí)候，人們普遍只需提升激光功率來(lái)增大信噪比，從而產(chǎn)生更有意義的輸入。但實(shí)際上，該傳統(tǒng)方法仍存在一個(gè)限制。

因?yàn)榕c干涉儀搭配使用的傳統(tǒng)探測(cè)器，在飽和之前也只能應(yīng)付一定閾值內(nèi)的激光功率，之后的信噪比提升就很困難了。

　　研究配圖 - 2：?jiǎn)蝹€(gè)組件示意

另一方面，新裝置通過(guò)讓更少的干涉儀信號(hào)抵達(dá)相同的探測(cè)器而化解這方面的限制，從而騰出了繼續(xù)增加激光功率來(lái)提升信噪比的空間。

即便在相同的功率水平下，弱值設(shè)備亦擁有較傳統(tǒng)干涉儀方案更優(yōu)的信噪比。這項(xiàng)工作的物理和工程技藝，都相當(dāng)?shù)奈⒚詈涂犰拧?/p>

下一步，研究團(tuán)隊(duì)還將嘗試容納壓縮 / 糾纏光子方案，以使之適用于相干通信和量子應(yīng)用，從而讓量子陀螺儀等裝置走向現(xiàn)實(shí)。