在工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景中，對(duì)微量危險(xiǎn)氣體泄漏的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)若能從20分鐘縮短至10分鐘，將對(duì)保障人員安全產(chǎn)生顯著影響。近期，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校與加拿大拉瓦爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)量子壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光頻梳光譜型氣體傳感器檢測(cè)速度的翻倍及誤差率的顯著降低。該成果已發(fā)表于《Science》期刊，標(biāo)志著量子傳感技術(shù)在實(shí)用化進(jìn)程中取得重要突破。

    一．光頻梳技術(shù)的核心特性與發(fā)展基礎(chǔ)
    普通激光器僅能發(fā)射單一頻率的光，而光頻梳激光器可同時(shí)產(chǎn)生數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)種頻率的光脈沖。這些脈沖在傳播過(guò)程中，會(huì)因空氣中分子對(duì)特定頻率光的吸收而形成獨(dú)特的光譜特征，科研人員通過(guò)分析此類特征即可精準(zhǔn)識(shí)別氣體分子，如甲烷、硫化氫等，甚至能從呼吸樣本中檢測(cè)新冠病毒跡象。
    光頻梳技術(shù)的研發(fā)起源于20世紀(jì)90年代末，由科羅拉多大學(xué)博爾德分校與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合成立的天體物理聯(lián)合研究所（JILA）率先開(kāi)展。其核心團(tuán)隊(duì)成員JanHall因在該領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，于2005年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，光頻梳技術(shù)已在石油天然氣泄漏監(jiān)測(cè)、公共衛(wèi)生檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。

    二．量子壓縮技術(shù)對(duì)檢測(cè)精度的提升機(jī)制
    光頻梳傳感器在實(shí)際應(yīng)用中面臨量子不確定性帶來(lái)的挑戰(zhàn)：光束由光子組成，而光子的到達(dá)時(shí)間具有天然隨機(jī)性，并非均勻分布，這導(dǎo)致傳感器采集的數(shù)據(jù)存在“模糊性”，影響檢測(cè)精度。
    量子壓縮技術(shù)為解決該問(wèn)題提供了有效路徑。在量子力學(xué)框架下，部分物理屬性存在相互制約關(guān)系——對(duì)其中一項(xiàng)進(jìn)行高精度測(cè)量，必然導(dǎo)致另一項(xiàng)測(cè)量精度的降低。研究團(tuán)隊(duì)利用這一特性，通過(guò)普通光纖（與家庭互聯(lián)網(wǎng)傳輸所用光纖類似）傳輸光頻梳脈沖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光量子的定向調(diào)控：以降低光頻率的測(cè)量精度為代價(jià)，顯著提升了光子到達(dá)時(shí)間的規(guī)律性。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在紅外光范圍內(nèi)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的壓縮效果較此前水平提升約1000倍。針對(duì)硫化氫（火山噴發(fā)中常見(jiàn)、具有臭雞蛋氣味的分子）的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，采用量子壓縮技術(shù)的光頻梳傳感器，其檢測(cè)速度較傳統(tǒng)設(shè)備提升一倍，充分證實(shí)了該技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。

    三．技術(shù)突破的應(yīng)用前景與實(shí)踐意義
    “克服量子不確定性雖需付出一定代價(jià)，但卻是研發(fā)高性能量子傳感器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”科羅拉多大學(xué)博爾德分校教授ScottDiddams指出，該技術(shù)突破對(duì)多個(gè)領(lǐng)域具有重要現(xiàn)實(shí)意義。在石油天然氣行業(yè)，更快的甲烷泄漏檢測(cè)速度有助于及時(shí)鎖定泄漏點(diǎn)，減少溫室氣體排放；在公共衛(wèi)生領(lǐng)域，快速識(shí)別呼吸樣本中的病毒特征，可助力傳染病的早期防控。
    由科羅拉多大學(xué)研究人員創(chuàng)立的LongPathTechnologies公司，已基于光頻梳技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備，而量子壓縮技術(shù)的融入將進(jìn)一步推動(dòng)此類設(shè)備的性能升級(jí)。盡管從實(shí)驗(yàn)室成果到規(guī)?；瘧?yīng)用仍需攻克系列技術(shù)難題，但研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人DanielHerman表示：“當(dāng)前已處于光頻梳技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵階段，距離實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用更近一步。”

    隨著量子壓縮技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，光頻梳傳感器的檢測(cè)精度與速度將得到進(jìn)一步提升。未來(lái)，大氣微量污染物監(jiān)測(cè)、工業(yè)管道泄漏檢測(cè)、人體呼吸健康信號(hào)分析等場(chǎng)景，均有望借助該技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的感知與預(yù)警。這一對(duì)微觀世界的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，正逐步拓展人類感知自然的能力邊界。