量子增强单分子生物传感：利用回音壁模式谐振器驾驭纠缠光子

 

Frank Vollmer 教授、Charles Downing 博士，埃克塞特大学

外部合作者：Antonio Vidiella-Barranco 教授，巴西坎皮纳斯大学

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在这一开创性项目中，您将利用量子光学的力量来提高生物传感的精度。Vollmer 教授的团队专长于利用回音壁模式（WGM）微球传感器——一种微米尺度的干涉仪（图 a、b）——对单分子进行超灵敏检测，其应用遍及生物学和生物化学的各个领域，从追踪神经递质释放到监测单个酶的活性 [1, 2]。本项目旨在将这些前沿传感器与量子光学传感技术相融合，实现超越经典极限的精密测量，并推动光学生物传感的边界。利用量子光学进行单分子检测的挑战仍未解决，有望以前所未有的精度，带来对分子相互作用和过程的无与伦比的洞见。

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借助我们开发的纠缠光子对光源（图 c）——它源自非线性光学晶体 PPKTP，您将探索一种成熟的量子传感范式，即在马赫-曾德尔干涉仪装置中利用光子对增强相位测量。您的任务包括优化光子对光源，以产生窄谱光子对，使其能够通过锥形光纤与 WGM 微球实现无缝集成。通过涉及 WGM 微球传感器的量子传感实验，包括探索 WGM 谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合的装置，您不仅将增强传感能力，还将揭示与光学谐振器中纠缠光子相关的其他量子光学现象，例如量子干涉（HOM 干涉）。项目的这一主要部分提供了丰富的实验途径，从搭建自由空间和光纤光学实验装置，到编写控制系统程序和分析数据，同时在受控环境中使用单光子探测器进行高灵敏度的光探测。

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您还有机会通过开展量子光学理论研究和模拟，参与本项目的理论部分。我们已有初步结果表明，在输入端为光子对的马赫-曾德尔干涉仪中，WGM 谐振器的透射谱与输入经典光时相比截然不同（图 d）。这正是我们建议用于增强 WGM 传感的信号。光子对与 WGM 谐振器耦合的理论中还有许多内容有待探索：您可以在 Python 软件包 qutip 中开发完整的实验模型，研究其他光态（如 LIGO 引力波天文台所使用的压缩态），并作出可直接在实验中检验的理论预测。该项目的理论部分得到 Charles Downing 博士 [3] 的支持，并与巴西坎皮纳斯大学 Antonio Vidiella-Barranco 教授 [4] 的团队开展合作。这些新的合作可通过额外的 EPSRC 资助得到加强。

 

如需了解更多信息，请联系 Frank Vollmer 教授：f.vollmer@exeter.ac.uk

 

请于2024年5月6日前申请

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参考文献：

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1. Yu, D. et al. Whispering-gallery-mode sensors for biological and physical sensing. Nature Reviews Methods Primers 1, 83 (2021). https://doi.org/10.1038/s43586-021-00079-2

2. Xavier, J., Yu, D., Jones, C., Zossimova, E. & Vollmer, F. Quantum nanophotonic and nanoplasmonic sensing: towards quantum optical bioscience laboratories on chip.  10, 1387-1435 (2021). https://doi.org/doi:10.1515/nanoph-2020-0593

3. Downing, C. A. & Vidiella-Barranco, A. Parametrically driving a quantum oscillator into exceptionality. Scientific Reports 13, 11004 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37964-7

4. Sousa, E. H. S., Vidiella-Barranco, A. & Roversi, J. A. Generation and transfer of entangled states between two connected microtoroidal cavities: Analysis of different types of coupling. Optik 271, 170016 (2022). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.170016