光子增加双模压缩真空态在马赫-曾德尔干涉仪相位测量中的应用

量子度量学主要是利用量子效应来提高参数估计的精度,以期突破标准量子极限,甚至达到海森伯极限.本文研究了一般光子增加双模压缩真空态作为马赫-曾德尔干涉仪的探测态时,在何种情况下能够提高待测相位的测量精度.根据量子Fisher信息理论,尽管在探测态具有相同的平均光子数这一约束条件下,对称的和非对称的光子增加操作并不能提高相位的测量精度.但若是在给定初始压缩参数的情况下,对称的和非对称的光子增加操作却能够增强相位的测量精度.另外,基于宇称测量的研究结果表明,对于对称光子增加双模压缩真空态,只有当待测相位趋于零时,宇称测量才是最优测量.而对于非对称光子增加双模压缩真空态,宇称测量并不是最优测量方案.     

相干反馈增强型量子混合干涉仪

本文在理论上提出了一种由非线性分束器和线性合束器构成的量子混合干涉仪，其中非线性分束器是由非线性参量过程结合量子压缩源的线性相干反馈构成，用于提高量子混合干涉仪相位灵敏度。具体而言，光学参量放大输出的光束与量子压缩源线性反馈至输入端，获得一对纠缠度可控的双模压缩光束，结合线性合束器，构建反馈型量子混合干涉仪。结果表明，相比于无反馈量子混合干涉仪，本方案通过调节反馈强度至合适区间，可以在增加相敏光子数实现干涉信号强度提高的同时，增强两干涉臂之间纠缠度进而减小干涉噪声。此外，将压缩真空态作为反馈环结构的输入态，能够进一步降低探测信号的噪声。因此，本方案从以上三个方面有效地提升混合干涉仪的测量灵敏度，甚至在有损的情况下，相比于无反馈情形，该反馈型量子混合干涉仪仍具有更好的相位灵敏度，表现出更好的抗损能力，有望应用在量子精密测量领域。     

高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于精密测量,比如引力波信号的测量.因此,构建高灵敏度的迈克耳孙干涉仪是实现微弱信号测量的关键.目前,人们利用压缩态可以降低迈克耳孙干涉仪的噪声;通过光学四波混频过程能够放大马赫·曾德尔干涉仪中的相位信号,从而提高干涉仪的信噪比和灵敏度.本文研究了一种用于高灵敏度相位测量的量子迈克耳孙干涉仪.在迈克耳孙干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高信噪比和高灵敏度的干涉仪.由于存在不可避免的光学损耗,分析了迈克耳孙干涉仪内部和外部的损耗对相位测量灵敏度的影响.通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克耳孙干涉仪的实现条件,为用于精密测量的干涉仪的设计提供了直接参考.     

基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频信号测量

利用低频光通信波段真空压缩态光场可实现基于光纤的量子精密测量.本文利用简并光学参量振荡器实验制备出1550 nm低频真空压缩态光场.在分析频段10—500 kHz范围内压缩态光场的压缩度均达3 dB.用实验制备的1550 nm真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔干涉仪的真空通道,实现了量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标准量子极限的相位调制频率为500 kHz的低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉仪相比,测量信噪比提高了2 dB.     

光场高阶光子关联的分析与测量

利用双Hanbury Brown-Twiss探测系统理论分析并在实验上精确测量了不同光场的高阶光子关联g(n)(n 2).探测系统通过四个单光子计数模块,探测分析光子时间关联的联合分布概率.在理论上,考虑实际探测系统背景噪声和系统效率的影响,分析研究了热态、相干态、压缩真空态和Fock态的三阶及四阶光子关联的结果,及其随光场入射光强、压缩参数及光子数的变化.并在实验中研究了探测系统分辨时间和计数率对相干态和热态的三阶及四阶光子关联的影响.在分辨时间为210 ns,计数率为80 kc/s时,准确测量得到在零延迟处热态的三阶及四阶光子关联,相对理论值的统计偏差分别为0.3%和0.8%.此外还测量得到了不同延迟时间下热态的高阶光子关联的结果.实验表明综合对各种影响因素的分析可精确测量光场的高阶光子关联,该方法在量子关联成像及光场特性分析中有着重要的应用.     

纠缠压缩真空态的纠缠转移

通过分析光学分束器对压缩真空态光场的作用,发现如果分束器的输入光是两束具有同样振幅和相位的单模压缩真空态光场,则输出光为双模压缩真空态光场;若分束器的输入光是两束具有同样振幅但有π相位差的单模压缩真空态光场,则输出光仍为两束单模压缩真空态光场.对于双模压缩真空态光场,每个模中容纳的光子数可以是基数或偶数.而对于单模压缩真空态光场,每个模中只能包含偶数个光子.根据这些结果,提出了一个纠缠转移的方案.在这个方案中,两个纠缠压缩真空态光场被用作量子信道,通过利用光学分束器作用和光子数探测的方法,并在经典通讯的帮助下,实现了三个通讯伙伴之间的纠缠转移.     

连续变量量子离物传态的实验研究

利用单个Ⅱ类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态，完成了连续变量量 子离物传态. Ⅱ类相位匹配OPA参量反放大过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的 压缩纠缠态，这不同于一般运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的 压缩纠缠态，可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量. 利用双KTP补偿非线性过程的 离散效应，获得了最大压缩大于2dB的双模压缩纠缠态，实现保真度06，考虑到探测效率 实际保真度为057. 这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置，有利于进行量子通信 的实验研究与应用. 同时，讨论了探测过程中的一些非理想因素. 关键词： 量子离物传态 压缩纠缠态 Bell态测量     

利用明亮纠缠光的连续变量量子离物传态的实验研究

我们利用单个II类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态,完成了连续变量量子离物传态.利用II类相位匹配OPA参量缩小过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的压缩纠缠态,与运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的压缩纠缠态相比,这种纠缠可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量.利用双KTP补偿非线性过程的离散效应,获得了最大压缩大于2 dB的双模压缩纠缠态,采用直接测量的方法,我们完成了真空场正交分量的离物传送.探测器探测效率93%,保真度达到0.59.采用这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置,有利于进行量子通信的实验研究与应用.     

基于光学参量放大器的量子干涉仪的分析

高精度光学干涉仪是实现精密测量的重要工具之一,干涉仪的最终灵敏度受限于真空起伏决定的标准量子极限(SQL)。利用量子资源可以实现突破SQL的相位测量。在基于光学参量放大器(OPA)的量子干涉仪中,将干涉仪两臂中OPA产生的相位压缩态直接作为相敏量子态,通过同时降低散粒噪声和放大相敏场强可以使其灵敏度无条件地突破SQL。然而,量子态对损耗是非常敏感的。通过分析量子干涉仪的各种损耗对其灵敏度的影响,得出了量子干涉仪灵敏度与各种损耗的依赖关系。同时,通过分析灵敏度与分析频率等其他物理参量的关系,得出了进一步优化系统灵敏度、带宽等性能的实验参数。     

基于低频压缩光的声频信号测量

低频信号测量在引力波探测、生物成像及磁场测量等方面具有重要的应用价值.本文利用非简并光学参量放大器获得了低频压缩态光场,在频率19 kHz处直接测到的压缩度为(7.1±0.1)dB;将产生的正交位相压缩态光场注入到马赫-曾德尔干涉仪中,实现了超越散粒噪声极限(3.0±0.4)dB的声频相位信号的测量.本实验的开展为低频压缩光的产生及基于低频压缩光的声频信号测量提供了一定技术支撑,并且此技术有望扩展到磁场、空间小位移等其他物理量的量子精密测量方案中.     

基于压缩光的量子精密测量

对任何物理量的测量都有一定的噪声, 经典测量所能达到的最小噪声一般称为散粒噪声, 对应着测量的标准量子极限. 利用压缩光可以突破标准量子极限, 从而提高测量精度. 本文介绍了压缩态光场用于突破标准量子极限的基本原理, 以及压缩态光场在相位测量、光学横向小位移及倾斜测量、磁场测量以及时钟同步等精密测量领域的应用和最新进展.     

Optical enhanced interferometry with two-mode squeezed twin-Fock states and parity detection

We theoretically investigate the quantum enhanced metrology using two-mode squeezed twin-Fock states and parity detection. Our results indicate that, for a given initial squeezing parameter, compared with the two-mode squeezed vacuum state, both phase sensitivity and resolution can be enhanced when the two-mode squeezed twin-Fock state is considered as an input state of a Mach–Zehnder interferometer. Within a constraint on the total photon number, although the two-mode squeezed vacuum state gives the better phase sensitivity when the phase shift φ to be estimated approaches to zero, the phase sensitivity offered by these non-Gaussian entangled Gaussian states is relatively stable with respect to the phase shift itself. When the phase shift slightly deviates from φ= 0, the phase sensitivity can be still enhanced by the two-mode squeezed twin-Fock state over a broad range of the total mean photon number where the phase uncertainty is still below the quantum standard noise limit. Finally, we numerically prove that the quantum Cramer–Rao bound can be approached with the parity detection.     

Quantum metrology with two-mode squeezed thermal state: Parity detection and phase sensitivity

Based on the Wigner-function method, we investigate the parity detection and phase sensitivity in a Mach–Zehnder interferometer(MZI) with two-mode squeezed thermal state(TMSTS). Using the classical transformation relation of the MZI, we derive the input–output Wigner functions and then obtain the explicit expressions of parity and phase sensitivity.The results from the numerical calculation show that supersensitivity can be reached only if the input TMSTS have a large number photons.     

基于零拍探测和压缩真空光输入增强Sagnac效应

利用量子技术增强Sagnac效应提高陀螺输出精度具有重要的研究意义, 是实现全自主导航的重要途径. 以相干态激光作为输入光源的光学陀螺因真空零点波动使其输出精度限制于散粒噪声极限而难以提高. 为减小真空波动的影响, 提出在激光输入的分束器的另一输入端输入压缩真空光并结合平衡零拍探测技术的方法增强Sagnac效应. 理论分析表明Sagnac效应性能得到有效提升: 干涉输出的灵敏度检测极限和动态范围均随着压缩程度的增加而呈指数级增长. 该方法只需对经典光学陀螺做少量改动就可实现, 是提高光学陀螺输出精度的一种新方法.     

Negativity of Wigner function and phase sensitivity of an SU(1,1) interferometer

Both the negativity of Wigner function and the phase sensitivity of an SU(1,1) interferometer are investigated in this paper. In the case that the even coherent state and squeezed vacuum state are input into the interferometer, the Heisenberg limit can be approached with parity detection. At the same time, the negativity volume of Wigner function of detection mode comes entirely from the input state and varies periodically with the encoding phase. In addition, the negativity volume of Wigner function is positively correlated with the phase sensitivity of the SU(1,1) interferometer. The positive correlation may mean that the non-classicality indicated by negative Wigner function is a kind of resource that can verify some related research results of phase estimation.     

Super-resolution and super-sensitivity of entangled squeezed vacuum state using optimal detection strategy

Interference metrology is a method for achieving high precision detection by phase estimation. The phase sensitivity of a traditional interferometer is subject to the standard quantum limit, while its resolution is constrained by the Rayleigh diffraction limit. The resolution and sensitivity of phase measurement can be enhanced by using quantum metrology. We propose a quantum interference metrology scheme using the entangled squeezed vacuum state, which is obtained using the magic beam splitter, expressed as |ψ〉=(|ξ〉|0〉+|0〉|ξ〉)/(2+2/coshr)~(1/2), such as the N00 N state. We derive the phase sensitivity and the resolution of the system with Z detection, project detection, and parity detection. By simulation and analysis, we determine that parity detection is an optimal detection method, which can break through the Rayleigh diffraction limit and the standard quantum limit.     

The Phase Sensitivities for Different Phase-Shift Configurations in an SU(1,1) Interferometer

We theoretically study the phase sensitivities of two different phase-shift configurations in an SU(1,1)interferometer with coherent ■ squeezed vacuum states.According to quantum Cramér-Rao theorem,we analytically obtain the ultimate phase sensitivities for two types of phase shift accumulating in one-and two-arm.Compared with the case of one-arm phase shift,the model with phase shift encoding in both arms may provide a better sensitivity when the strength of squeezed vacuum state is large enough.Furthermore,we discuss the achievable sensitivities with the homodyne measurement by invoking of error-propagation formula.In addition,we study the effect of internal and outernal photon losses on the phase sensitivity of the SU(1,1) interferometer and find that the unbalanced interferometer is helpful to improve precision even with high external losses.     

Phase estimation of phase shifts in two arms for an SU(1,1) interferometer with coherent and squeezed vacuum states

We theoretically study the quantum Fisher information(QFI) of the SU(1,1) interferometer with phase shifts in two arms by coherent ? squeezed vacuum state input, and give the comparison with the result of phase shift only in one arm.Different from the traditional Mach–Zehnder interferometer, the QFI of single-arm case for an SU(1,1) interferometer can be slightly higher or lower than that of two-arm case, which depends on the intensities of the two arms of the interferometer.For coherent ? squeezed vacuum state input with a fixed mean photon number, the optimal sensitivity is achieved with a squeezed vacuum input in one mode and the vacuum input in the other.