相干双光子激光雷达的突破克服了距离限制

实验装置示意图。图片来源：Physical Review Letters（2023 年）。DOI：

10.1103/PhysRevLett.131.223602

新的研究揭示了光探测和测距（LIDAR）技术的进步，在测量远程物体的距离方面提供了无与伦比的灵敏度和精度。

这项研究发表在《物理评论快报》上，是韩国POSTECH的Yoon-Ho Kim教授小组与朴茨茅斯大学量子科学与技术中心合作的结果。

相干激光雷达长期以来一直是测距的基石，但其能力受到光源相干时间的制约。在一项开创性的举措中，研究人员引入了双光子激光雷达，消除了相干时间施加的范围限制，以实现对远超光源光谱带宽所决定的相干时间的远程物体的准确和精确测距。

这项研究的灵感来自量子科学与技术中心主任Vincenzo Tamma教授最近领导的工作，利用了热光的双光子干涉，超越了相干性。与传统的相干激光雷达不同，相干时间是一个限制因素，相干双光子激光雷达中的二阶干涉条纹不受光源短相干时间的影响，由其光谱带宽决定。

实验证明的方案利用了一个简单的热光源，例如太阳光，与双缝掩模相互作用，其中两个狭缝A和B相隔超过光源的相干长度，以及两个相机。两个狭缝发出的光要么采用已知光学长度的路径朝向第一个探测器 D1或以未知距离向远处物体传播，并在被其反射后被第二检测器D检测到2.

最近由Tamma教授领导的研究与韩国巴里大学和POSTEC合作，首次从理论上证明，即使在存在湍流的情况下，也可以通过测量两个探测器检测到的光强度的空间相关性来估计远程物体的距离。

对从双缝到物体的未知距离的敏感性是两条双光子路径之间相位依赖性干涉的结果：i）从针孔A到探测器D1从针孔 B 到探测器 D2;ii） 从针孔 A 到 D2从针孔 B 到 D1.正是在这种相位相关的干涉中，物体的距离值通过空间相关测量进行编码和检索。

如果两个狭缝中的任何一个闭合，则无法观察到相位相关的干涉。著名的Hanbury-Brown和Twiss（HBT）实验就是这种情况，该实验为1954年量子光学和量子技术的发展铺平了道路。事实上，在标准HBT双光子干涉中，由于当时只有一条狭缝的贡献，通过对两个探测器的光强度进行相关测量，可以观察到干涉跳动。

尽管如此，当两个狭缝都打开时，人们可以观察到一个额外的，但这个时间取决于相位的干涉贡献，这取决于远程物体的未知距离，并且由从两个不同的狭缝到两个探测器的两条可能的双光子路径之间的干涉引起，如前所述。

从基本观点来看，这种相位依赖性贡献的产生是一种非常违反直觉的效应，也是这种技术影响的核心，现在已经在 POTECH 的 Yoon-Ho Kim 教授的实验室中进行了实验证明。

这项新研究表明，相干公司双光子激光雷达对湍流和环境噪声具有鲁棒性，标志着激光雷达技术在具有挑战性的环境中的适用性有了重大飞跃。

“这一突破开辟了双光子相关性在经典光中的新应用，突破了以前认为激光雷达技术可能的界限，”该研究的合著者Tamma教授说。“我们的相干双光子激光雷达技术不仅克服了与相干时间相关的范围限制，而且在面对外部干扰时表现出了非凡的弹性。”

这些发现有可能导致基于使用热光相关测量的新型传感技术的发展。这些产品可能用于自动驾驶汽车、机器人、环境监测等领域的应用。

以更高的精度和可靠性测量相干时间之外的距离的能力有可能重塑依赖精确距离测量的行业。

该研究团队设想与行业合作伙伴和利益相关者合作，在现实世界中进一步开发和实施相干双光子激光雷达。