基于量子光的最优圆二色性传感：多参数估计方法

圆二色性（CD）测量已被广泛用于区分手性结构的不同对映体。它已应用于天然材料（如分子）以及人工材料（如纳米光子结构）。然而，尤其是对于手性分子，信号水平非常低，提高信噪比对缩短必要测量时间或降低最小可检测分子浓度至关重要。作为该问题的一个解决方案，我们在此提出在 CD 传感中使用光的量子态，以将噪声降至使用相干态光时所遇到的散粒噪声极限以下。通过多参数估计方法，我们确定了 CD 传感精度的最终量子极限，该极限允许包含额外辅助模式的通用方案。我们表明，该最终量子极限可由多种最优方案实现。这不仅包括直接传感构型中的 Fock 态输入，也包括辅助增强传感构型中的孪生光束输入，二者均需执行光子数分辨探测作为最优测量设置。这些最优方案即使在存在额外系统损耗时也能提供显著的量子增强。我们还详细研究了一种在直接传感构型中使用孪生光束态的实用方案的最优性，将其作为在实际 CD 信号极小时近乎最优的 CD 传感方案。我们也提出了涉及单光子源与探测器的替代方案。本工作为手性传感中量子计量技术的进一步研究铺平了道路。