基于 Walsh 调制动力学去相干光谱学实现两处接近电磁场的超分辨率

由于量子涨落，非正交量子态无法确定地被区分，从而难以解析其潜在物理参数。传统上，人们认为系统的 linewidth 类似于这些量子涨落，以设定分辨两个交替电磁场频率的终极限制。因此，分辨频率差 $\Delta \omega$ 所需的测量时间被认为是当 $\Delta \omega \rightarrow 0$ 时趋于无穷大。本文我们表明 linewidth 在分辨两处接近频率方面不起决定性作用。相反，终极限制由与参数无关的量子涨落决定，例如本案例中的散粒噪声。我们提出并实验演示了第一个通用宽带超分辨率光谱协议。具体而言，我们的协议使用 Walsh 调制动力学去相干 (WMDD) 序列将两个未知音调之间的 $\Delta \omega$ 编码到量子态中。这利用相位信息抑制参数无关的散粒噪声，从而提高信噪比并实现超分辨率光谱。通过该方法，我们分辨两个随机选择的约 100 MHz 频率的交替电场，其频率差为 5.0(1.6) Hz，使用每次测量仅 1 ms，相较于传统分辨率限制提升了 200 倍。因此，我们的技术比传统方法加快了数据获取速度超过 $10^5$ 量级。关键的是，由于我们的协议根植于运动学拉曼 (量子向量信号分析仪) 框架，因此有效覆盖任意频率范围，从而有望提升宽带电磁场探测并提高下一代通信系统的光谱效率。