Новый квантовый «секундомер» улучшит обработку изображений
Может показаться, что «квантовые секундомеры» — бесполезная на практике игрушка физиков. Но это не так, ведь такие устройства уже давно вокруг нас. Теперь ученые смогли сделать их на порядок лучше
Технология время-коррелированного подсчета одиночных фотонов немного похожа на таймеры, которые используются на Олимпийских играх: ученые сначала направляют лазерный луч на образец, а затем регистрируют фотоны, которые возвращаются к ним. Чем больше фотонов соберут исследователи, тем больше они смогут узнать об этом объекте.
Эта техника, которая была впервые разработана в 1960 году, произвела настоящую революцию в науке. Эти счетчики фотонов являются важными компонентами лидаров — лазерных деткторов, которые исследователи используют для создания геологических карт, а беспилотные автомобили — для построения карты местности вокруг себя.
Однако традиционные устройства время-коррелированного подсчета одиночных фотонов могут измерить время только с определенной точностью: если два фотона попадают на ваше устройство со слишком малым интервалом —скажем, 100 триллионных долей секунды или меньше — детектор записывает их как один фотон. Это похоже на одновременное финиширование двух спринтеров — для определения победителя в таком случае требуется фотофиниш.
Чтобы решить эту проблему в физических устройствах, авторы новой работы решили использовать технологию «временной линзы». По словам авторов, если оптическая линза может увеличить размер объекта в окуляре, то временная способна увеличить масштаб измеряемого времени.
Чтобы понять, как работает это искажение времени, представьте два фотона в виде двух бегунов, мчащихся так близко, что хронометрист Олимпийских игр не может отличить их друг от друга. Ученые пропускали оба этих фотона через свою временную линзу, состоящую из петель кремнеземных волокон. В процессе прохождения один из фотонов замедляется, в то время как другой ускоряется. В результате между частицами образуется большой разрыв, который может зафиксировать детектор.
Исследователям еще предстоит немного усовершенствовать технологию, прежде чем временные линзы станут обычным явлением в научных лабораториях. Но они надеются, что их инструмент когда-нибудь позволит людям детектировать объекты, от очень маленьких до очень больших, — с такой точностью, которая ранее была невозможна.
Исследование опубликовано в журнале Optica.