华沙大学的两名研究人员开发了一种受量子启发的超分辨光谱仪，用于短脉冲光。该设备由华盛顿大学量子光学技术中心、新技术中心和物理学院的量子光学设备实验室设计，与标准方法相比，分辨率提高了两倍以上。未来，它可以在光子芯片上小型化，并应用于光学和量子网络以及物质的光谱研究。

光子携带的潜在信息使超精确的光谱仪成为可能

颜色传递信息

光谱学的任务是研究光的各种颜色，即光谱。化学物质会发出其特征颜色，通过这些颜色可以识别它。同样，遥远的恒星也会有特定的光谱，通过这些光谱可以了解其天体物理特性，例如大小或年龄。

不同颜色的光也用于在光纤网络中通过信道传输信息，类似于用于同时传输多个信道的不同无线电波段。这些光信道是洲际光网络的核心，也是未来安全量子网络的关键。在所有这些情况下，一项艰巨的任务是区分附近的信道或光谱线。

人们认为，如果通道重叠，则几乎无法区分它们——这是约翰·威廉·斯特拉特勋爵瑞利研究的性质，后来被称为瑞利标准。

量子来救援

量子信息科学的进步使研究人员了解到，传统的所谓直接成像或光谱技术会丢弃光的复杂电磁场相位所携带的部分信息。量子启发的超分辨率技术在探测到复杂电磁场之前对其进行变换，以最佳地利用这些潜在信息。

该设备的工作原理——通过光谱反转实现超快脉冲的超分辨率(SUSI)——与成像中所谓的量子启发超分辨率方法非常相似。最大的挑战是如何将这些想法转化为时间和频率领域。

在超分辨量子成像中，来自物体的光被分成干涉仪的两个臂。一个臂包含一个反转(翻转)图像的装置。然后反转部分与原始图像发生干涉。现在，例如，如果只有一个微小发射器与反转轴完美对齐，其反转图像将与原始图像相同。

在这种情况下，研究人员在干涉仪的一个端口中看不到光子。然而，一旦发射器移动，它的倒像就会变得与原像不同，光子就会出现在那个端口中。它们的数量可以很好地指示发射器移动了多少。再举一个例子，想象两个发射器围绕反转轴对称分离。

每个发射器都会以相同的方式对计数的光子做出贡献，因此它们测量两个发射器之间的距离。与所有测量一样，它的精度有限，但事实证明，与直接用相机对发射器进行成像相比，这种精度可以明显提高。

操控时间和色彩

在时间和频率领域，这些想法仍然适用。不要考虑微小的发射器，而要关注光脉冲。脉冲同时出现，但每个脉冲的颜色略有不同，因为它们来自不同的光通道或不同的光谱线。

在标准方法中，人们不会直接观察相机，而是首先使用色散装置(例如衍射光栅或棱镜)，将不同的频率发送到相机传感器上的不同位置。对于两个相距很近的脉冲，这些频率分布大部分会重叠，从而限制了测量间隔的精度。使用SUSI，可以提高这种精度。

但是如何实现频率的反转呢?解决这个问题是设计SUSI的关键步骤。一个基本的观察结果是，研究人员不必在单个干涉仪臂中放置逆变器，而是在一个臂中使用傅里叶变换，在另一个臂中使用逆傅里叶变换，就可以得到相同的结果。

这样的设计创造了一个非常平衡且可扩展的设备，该设备由博士生MichałLipka在量子光学设备实验室团队负责人兼华盛顿大学物理学院光学系助理教授MichałParniak博士的指导下制造而成。干涉仪的两个臂具有可比的损耗，用于逆傅里叶变换和直接傅里叶变换的设备非常相似。

此外，SUSI干涉仪中使用的所有元件都已经可以在光子芯片上实现，这使得SUSI非常适用于超级光谱仪或光网络设备，并且可集成到其中，从而与现有设备相比，分辨率至少提高了两倍。