频率梳光谱学与量子噪声。来源：Daniel I. Herman等人

科学家们最近取得了一项突破性进展，他们利用一种名为“量子压缩”的技术，显著提高了光学频率梳激光器的气体传感性能。这种超精密的传感器就像是气体分子的“指纹扫描仪”，能够精准地识别和分析空气中的各种气体成分。

在过去，这类传感器已经被广泛应用于石油和天然气作业中，用于检测甲烷泄漏等危险情况。同时，它们还能在人类呼吸样本中检测出COVID-19感染的迹象，为医疗诊断提供了有力支持。然而，科学家们并未止步于此，他们一直在探索如何进一步提高这些传感器的灵敏度和测量速度。

现在，科罗拉多大学博尔德分校的Scott Diddams和加拿大拉瓦尔大学的Jérôme Genest合作，通过一系列实验室实验，成功地将频率梳探测器的速度提高了一倍。这一成果意味着，在未来的气体传感应用中，我们能够在更短的时间内获得更准确的数据。

频率梳激光器与普通激光器有着显著的不同。普通激光器只能发出一种颜色的光，而频率梳激光器则能同时发出数千到数百万种颜色的脉冲光。这些脉冲光就像是一把精细的梳子，能够精确地测量和分析空气中的各种气体成分。

在这项新研究中，研究人员利用普通光纤来精确控制这些来自频率梳激光器的脉冲光。他们通过一种特殊的方式“挤压”光，使得光的一些特性变得更加精确，而另一些特性则变得更加随机。这种“挤压”过程实际上是对光的一种优化处理，它能够在一定程度上克服量子不确定性带来的测量误差。

然而，这种优化处理并不是没有代价的。在增加测量精确性的同时，光的某些其他特性（如频率）的测量难度也会相应增加。但科学家们发现，这种权衡是值得的，因为通过量子压缩技术，他们能够以更少的错误检测气体分子。

为了验证这一技术的有效性，研究人员在实验室里使用了硫化氢样本进行测试。硫化氢是一种在火山喷发中很常见的分子，它有一种臭鸡蛋的气味。实验结果表明，利用压缩频率梳检测硫化氢分子的速度是传统设备的两倍左右。此外，研究人员还能够在红外光范围内实现这种效果，这是之前所未曾达到的。

虽然这一技术还需要进一步的研究和完善才能投入实际应用，但科学家们已经看到了它的巨大潜力。Diddams表示：“我们已经能够操纵量子力学中的基本不确定性关系，从而更快更好地测量某些东西。这对于开发更强大的量子传感器来说是非常重要的一步。”

举例来说，在工厂环境中检测微量危险气体泄漏时，如果传统的传感器需要20分钟才能完成测量，那么利用新的量子压缩技术，我们可能只需要10分钟就能得到准确的结果。这对于保障人们的生命财产安全来说无疑是一个巨大的进步。