ノーベル賞受賞の技術者が、光の量子的性質によってのみ制限されるピンポイントの精度で、距離やタイミングを測定できるようになる画期的な発見です。 Breakthrough could help Nobel-winning tech measure distances and timing with a pinpoint precision limited only by the quantum nature of light.
2022-10-24 アメリカ国立標準技術研究所(NIST)
これまで、周波数コムレーザーは、その効果を得るためにメトロノミックな規則性を持った光パルスを生成する必要がありましたが、NISTの研究チームは、パルスのタイミングを操作することで、周波数コムがこれまでよりも幅広い条件下で正確な計測を行うことができることを示した。
今回の技術革新は、2番目のコムのパルスのタイミングを制御できるようにしたことである。デジタル技術の進歩により、2番目の櫛が戻ってくる信号に「ロックオン」し、従来のサンプリング方式で生じていたデッドタイムを解消することが可能になったのだ。
最初の捕捉の後、ターゲットが動けば、デジタルコントローラーは2番目のコームのパルスが速くなったり遅くなったりするように時間出力を調整することができる。これにより、2番目のコムのパルスがターゲットから戻ってくるパルスと常に重なるように、パルスが再調整される。この調整された時間出力は、ターゲットまでの距離のちょうど2倍であり、周波数コム特有のピンポイントな精度で返される。
研究チームが「タイムプログラマブル周波数コム」と呼ぶこの装置の成果は、利用可能な光子を最大限に活用し、デッドタイムをなくす検出方法である。
＜関連情報＞
- https://www.nist.gov/news-events/news/2022/10/break-new-ground-frequency-combs-nist-innovation-plays-beat
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-05225-8
タイムプログラマブル周波数コムとその量子限界測距への応用 The time-programmable frequency comb and its use in quantum-limited ranging
Emily D. Caldwell,Laura C. Sinclair,Nathan R. Newbury & Jean-Daniel Deschenes
Nature Published:05 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05225-8
Abstract
Two decades after its invention, the classic self-referenced frequency comb laser is an unrivalled ruler for frequency, time and distance metrology owing to the rigid spacing of its optical output1,2. As a consequence, it is now used in numerous sensing applications that require a combination of high bandwidth and high precision3,4,5. Many of these applications, however, are limited by the trade-offs inherent in the rigidity of the comb output and operate far from quantum-limited sensitivity. Here we demonstrate an agile programmable frequency comb where the pulse time and phase are digitally controlled with ±2-attosecond accuracy. This agility enables quantum-limited sensitivity in sensing applications as the programmable comb can be configured to coherently track weak returning pulse trains at the shot-noise limit. To highlight its capabilities, we use this programmable comb in a ranging system, reducing the required power to reach a given precision by about 5,000-fold compared with a conventional dual-comb system. This enables ranging at a mean photon per pulse number of 1/77 while retaining the full accuracy and precision of a rigid frequency comb. Beyond ranging and imaging6,7,8,9,10,11,12, applications in time and frequency metrology1,2,5,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, comb-based spectroscopy24,25,26,27,28,29,30,31,32, pump–probe experiments33 and compressive sensing34,35 should benefit from coherent control of the comb-pulse time and phase.
