用于自由空间风检测的量子擦除 HOM （QEHOM） 概述。图片来源：薛教授的团队

一个研究团队提出了一种基于上转换量子干涉的风感激光雷达理论，并成功开发了原型。他们的工作发表在 ACS Photonics 上。

激光雷达技术的主要目标是“看到更远、更精细的细节，更快、更准确地测量”。单光子激光雷达通过实现单光子检测，与传统激光雷达相比具有显著改进。研究人员一直在探索在量子激光雷达中利用精确量子测量原理的方法。

自 1987 年被发现以来，Hong-Ou-Mandel （HOM） 干涉（也称为双光子干涉）在精确时间测量、量子态分析和量子信息处理中发挥了至关重要的作用。HOM 干涉在量子激光雷达中的应用已成为主要研究热点。

研究团队提出了一种利用 HOM 干涉和高阶量子擦除的理论，以证明来自不同光源的独立光子的量子干涉现象。HOM 干涉是一种量子光学现象，其中两个光子之间发生干涉，即使它们不共存，也显示出相关性。量子擦除是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复两个光子之间的量子纠缠。

基于这一理论，该团队使用上转换探测器开发了一种双光子干涉大气激光雷达系统。该系统具有单光子灵敏度、高量子效率、宽检测带宽和多波长适用性等特点。

结果表明，该量子激光雷达系统能够以 MHz 采样率记录超过 17 GHz 带宽（相当于 13 km/s）的光信号，解决了超快目标连续检测中弱信号的高采样率和大数据存储挑战。

此外，在现场实验中，量子干涉激光雷达系统以 70 μJ 的能量实现了 16 km 水平距离的风场探测，与现有激光雷达系统相比，探测灵敏度提高了 7 倍，风场探测一致性为 R² = 0.997。

成功的长距离风感测证明了这种新型量子干涉激光雷达技术在弱信号测量方面的巨大潜力。它可以在不使用频率鉴别设备的情况下测量光学频率，结合了直接检测和相干检测的优点。量子激光雷达系统已经实现了光纤集成和紧凑化，在超高速移动目标的连续遥感方面显示出未来应用的前景。

该团队由中国科学院 （CAS） 中国科学技术大学 （USTC） 的薛向辉教授领导。

更多信息：Chong Wang 等人，基于上转换量子擦除的相干双光子大气激光雷达，ACS Photonics （2024）。DOI： 10.1021/acsphotonics.4c00302

期刊信息： ACS Photonics