Limiti per la spettroscopia molecolare derivanti dalla discriminazione di canali quantistici

Abstract degli autori

La spettroscopia di assorbimento identifica le molecole rilevando la perdita ottica in funzione della frequenza; il suo limite fondamentale è un problema di discriminazione di canali quantistici. In questo lavoro sviluppiamo un quadro generale per caratterizzare il limite quantistico ultimo della spettroscopia di assorbimento molecolare senza misure collettive: la formuliamo come un problema asimmetrico di verifica di ipotesi quantistiche tra diversi canali di assorbimento. Ricorrendo a una formulazione basata sulla programmazione semidefinita, costruiamo stati sonda ottimali e li confrontiamo con il conteggio di fotoni in stati coerenti, gli stati di Fock e le sonde a vuoto compresso a due modi. Introduciamo un modello di canale a perdita casuale per una trasmissione di fondo non nota in modo perfetto, che riflette il fatto che un esperimento in bianco non deve necessariamente restituire tutti i fotoni incidenti, a causa di diffusione, assorbimento da parte del solvente o perdite di raccolta. I nostri risultati mostrano che le sonde non classiche ottimizzate possono superare nettamente la spettroscopia laser convenzionale e che il vantaggio è robusto rispetto a perdite casuali di fondo realistiche. % Nella spettroscopia a più frequenze, l’ottimizzazione determina anche come distribuire i fotoni tra le righe di assorbimento, rivelando un ulteriore vantaggio nella distribuzione delle risorse, oltre alla progettazione di stati a singolo modo. Illustriamo il nostro quadro usando il rilevamento nell’infrarosso del 4-nitrofenolo rispetto a molecole di confronto chimicamente rilevanti, mostrando come i metodi di discriminazione di canali quantistici forniscano limiti prestazionali costruttivi per la spettroscopia molecolare in presenza di vincoli realistici sul numero di fotoni.