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。

（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”。

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。

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。

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。因为与干涉仪搭配使用的传统探测器，在饱和之前也只能应付一定阈值内的激光功率，之后的信噪比提升就很困难了。

研究配图 - 2：单个组件示意

另一方面，新装置通过让更少的干涉仪信号抵达相同的探测器而化解这方面的限制，从而腾出了继续增加激光功率来提升信噪比的空间。即便在相同的功率水平下，弱值设备亦拥有较传统干涉仪方案更优的信噪比。这项工作的物理和工程技艺，都相当的微妙和酷炫。下一步，研究团队还将尝试容纳压缩 / 纠缠光子方案，以使之适用于相干通信和量子应用，从而让量子陀螺仪等装置走向现实。