埃克塞特大学工程、数学和物理科学学院招收全奖博士

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职位信息

埃克塞特大学工程、数学和物理科学学院招收全奖博士，研究量子增强单分子生物传感：利用回音壁模式谐振器利用纠缠光子。

10月4日截止申请。

项目介绍：

在这个开创性的项目中，您将利用量子光学的力量来提高生物传感的精度。Vollmer 教授的研究小组专门利用回音壁模式 (WGM) 微球传感器，这种传感器是微米级干涉仪（图 a、b），可对单个分子进行超灵敏检测，涵盖生物学和生物化学领域的各种应用，从跟踪神经递质释放到监测单个酶活性1,2。该项目旨在将这些尖端传感器与量子光学传感技术融合，实现超越经典极限的精度测量，并突破光学生物传感的界限。使用量子光学进行单分子检测的挑战仍然存在，有望以前所未有的精度深入了解分子相互作用和过程。

利用我们开发的纠缠光子对源（图 c），该源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，该范式利用光子对在 Mach-Zehnder 干涉仪装置中增强相位测量。您的任务将涉及优化光子对源，以生成适合通过锥形光纤与 WGM 微球无缝集成的窄谱光子对。通过涉及 WGM 微球传感器的量子传感实验，包括探索组合 WGM 谐振器 - Mach-Zehnder 干涉仪装置，您不仅可以增强传感能力，还可以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）。该项目的这一主要方面提供了丰富的实验途径，从使用自由空间和光纤构建实验装置到编程控制系统和分析数据，同时使用单光子探测器在受控环境中进行高灵敏度光检测。

通过进行量子光学理论和模拟，您还可以研究该项目的理论部分。我们的初步结果表明，在 Mach-Zehnder 干涉仪中，输入端有光子对的 WGM 谐振器显示出与输入经典光截然不同的透射光谱（图 d）。这是我们建议用于增强 WGM 感应的信号。在耦合到 WGM 谐振器的光子对理论中，还有更多值得探索的地方：您可以在 Python 包 qutip 中开发实验的完整模型，研究其他光状态，例如压缩态（用于 LIGO 引力波天文台），并做出理论预测以直接在实验中测试。该项目的理论部分得到了 Charles Downing 博士3的支持，并与巴西坎皮纳斯大学的Antonio Vidiella-Barranco 教授4的团队合作。这些新的合作可以通过额外的 EPSRC 资助得到加强。

参考文献：2404.17409（arxiv.org）

图 a、b：回音壁模式 (WGM) 微球干涉仪

c：纠缠光子对源

d：输入端有光子对的 WGM 干涉仪

导师介绍

Prof Frank Vollmer

Frank Vollmer是英国埃克塞特大学的生物物理学教授。他于 2004 年在美国纽约洛克菲勒大学获得“物理学与生物学”博士学位。2004 年至 2009 年，他担任哈佛大学 Rowland 研究员；2010 年，担任哈佛大学 Wyss 研究所驻校学者；2011 年至 2016 年，担任德国马克斯普朗克光科学研究所组长（非终身副教授）；2011 年至 2016 年，担任布莱根妇女医院/哈佛医学院医学讲师，并于 2011 年至 2016 年期间担任该院卫星实验室主任。自 2016 年起，他担任英国埃克塞特大学物理学院生物物理学教授。2017 年，他获得皇家学会沃尔夫森研究功绩奖；2021 年，他获得物理研究所 (IoP) 颁发的罗莎琳德富兰克林奖章和奖项。自 2021 年起，他担任 IoP 研究员。

Dr Charles Andrew Downing

Dr Charles Andrew Downing是皇家学会大学研究员和物理学 Proleptic 讲师，在英国埃克塞特大学工作。

他的研究兴趣有：

• 凝聚态理论
• 超材料
• 纳米光子学
• 量子光学
• 等离子体

Prof Antonio Vidiella-Barranco

我是一名从事量子光学研究的理论物理学家，也是巴西坎皮纳斯大学的教授。我是美国光学学会杂志 B (JOSA B) 的专题编辑。我的研究兴趣包括量子态生成和操控、量子通信和开放量子系统的研究。

奖学金：

对于国际学生的申请人，UKRI 还提最多 30%的全额奖学金。

更多奖学金信息可以查看：EPSRC DTP - 2025 年 1 月提供博士生奖学金

参考文献：

1. Yu, D. 等人。用于生物和物理传感的回音壁模式传感器。《自然评论方法入门》1，83 (2021)。
2. https://doi.org/10.1038/s43586-021-00079-2
3. Xavier, J.、Yu, D.、Jones, C.、Zossimova, E. 和 Vollmer, F。量子纳米光子和纳米等离子体传感：面向芯片上的量子光学生物科学实验室。10, 1387-1435 (2021)。
4. https://doi.org/doi:10.1515/nanoph-2020-0593
5. Downing, CA 和 Vidiella-Barranco, A。参数化驱动量子振荡器进入异常状态。《科学报告》13，11004 (2023)。
6. https://doi.org/10.1038/s41598-023-37964-7
7. Sousa, EHS, Vidiella-Barranco, A. 和 Roversi, JA 两个相连的微环形腔之间纠缠态的产生和传输：不同类型耦合的分析。Optik 271, 170016 (2022)。
8. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.170016