受激拉曼增益介质中的量子噪声特性研究

研究了三能级原子系综与相干控制场以及量子探测场的相互作用下的受激拉曼系统.运用量子理论推导出了该受激拉曼系统中由于量子场真空涨落引起的量子噪声以及受激散射的量子化光场噪声谱,并且数值计算了注入拥有非经典涨落的量子探测场,真空涨落所引起的量子噪声谱. 关键词： 受激拉曼增益 量子噪声 噪声谱     

介观RLC电路在热真空态下的量子涨落

利用热场动力学的方法研究了介观RLC电路在具有热噪声的真空态下电荷和磁通(电流)的量子涨落.从而得到了有限温度下这一电路在热真空态下的量子涨落与温度的关系.结果表明,介观RLC电路的量子涨落不仅与电路中的元件参量和电路的共振频率ω有关,而且与温度T有关.温度越高,介观RLC电路的量子噪声越大 关键词： 介观RLC电路 热真空态 量子涨落     

基于压缩光的量子激光雷达技术

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

具有频率噪声的单模激光线性模型随机共振

将频率有涨落的周期信号输入单模激光增益模型,计算出输出光强的相关函数及功率谱,对信噪比随噪声强度和系统参数的变化进行了研究. 结果表明:信噪比随频率噪声强度的变化、抽运噪声强度的变化、量子噪声强度的变化均出现随机共振;信噪比随增益系数和损失系数的变化也出现随机共振. 关键词： 频率噪声 功率谱 随机共振     

介观无损耗传输线中电流的量子涨落

在将介观无损耗传输线量子化的基础上, 研究了真空态和压缩真空态下传输线中电流和电流梯度的量子涨落. 着重分析了传输线与一般LC电路量子涨落的差异. 关键词： 介观无损耗传输线 真空态 压缩真空态 量子涨落     

基于压缩光的量子激光雷达技术（英文）

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

单模激光系统输入信号后的稳态平均光强相对涨落

研究了具有实虚部间关联的量子噪声和抽运噪声驱动的单模激光系统输入信号后的统计性质,采用线性化近似方法计算了系统的稳态平均光强相对涨落,分析了量子噪声实虚部间关联系数、量子噪声强度、抽运噪声强度、输入信号振幅和频率、净增益等对稳态平均光强相对涨落的影响,发现在量子噪声实虚部间弱关联、小噪声、远离阚值、信号振幅不大和频率较高的条件下激光场的统计涨落较小。     

单模激光系统线性化近似适用范围的分析

采用线性化近似方法计算了具有实虚部关联的量子噪声和泵噪声驱动的单模激光损失模型的光强相对涨落,为了对线性化近似的适用范围进行详细的分析,分别讨论了量子噪声强度、泵噪声强度、量子噪声实虚部间关联系数对光强相对涨落的影响,得出在小噪声、远离阈值时,线性化近似适用范围扩大;小噪声、远离阈值且当量子噪声实虚部无关联时,线性化近似适用范围极大的结论.     

超冷~6Li费米气体的密度涨落和亚泊松分布

本文实验测量了无相互作用下6Li超冷费米原子气体密度分布的空间噪声涨落.在量子简并条件下,研究了理想费米气体的空间原子噪声涨落和量子简并度之间的关系,在实验上研究了泡利排斥对量子简并费米气体密度涨落的有效抑制,实现了低温费米量子气体的亚泊松分布测量.本文发展的原子密度噪声测量方法和测量结果在强相关多体系统的温度测量和观测不可压缩量子相的相变方面具有较大的应用前景.     

基于R-C耦合跨阻设计的1 kHz～200 MHz宽带平衡零拍探测器

通过分析平衡零拍探测器的噪声来源，采用电阻-电容（R-C）耦合跨阻电路方案并优化跨阻放大电路结构，实现了一种低噪声、高共模抑制比的宽带平衡零拍探测器，工作带宽为1 kHz～200 MHz。当光功率为8 mW的1550 nm激光入射时：在5 kHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高12 dB，共模抑制比达到70 dB；在100 MHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高20 dB，共模抑制比达到66 dB。该探测器可以为低频引力波探测、高速连续变量量子密钥分发和高速量子随机数发生器等应用提供高性能的探测工具。     

Generation of squeezed vacuum on cesium D2 line down to kilohertz range

We report the experimental generation of a squeezed vacuum at frequencies ranging from 2.5 kHz to 200 kHz that is resonant on the cesium D2 line by using a below-threshold optical parametric oscillator(OPO). The OPO is based on a periodically-poled KTiOPO_4(PPKTP) crystal that is pumped using a bow-tie four-mirror ring frequency doubler. The phase of the squeezed light is controlled using a quantum noise locking technique. At a pump power of 115 mW, maximum quadrature phase squeezing of 3.5 d B and anti-squeezing of 7.5 d B are detected using a home-made balanced homodyne detector. This squeezed vacuum at an atomic transition in the kilohertz range is an ideal quantum source for quantum metrology of enhancing measurement precision, especially for ultra-sensitive measurement of weak magnetic fields when using a Cs atomic magnetometer in the audio frequency range.     

音频段1.34μm压缩态光场的实验制备

音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器作为抽运源,抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器,进行了光通信波段1.34μm连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时,抽运光场功率为95 mW,本地振荡光功率为60μW时,在分析频率8—100 k Hz范围内研制出1.34μm真空压缩态光场.在分析频率36 k Hz处,压缩态光场的最大压缩度达5.0 d B;在音频频率8k Hz处,压缩态光场的压缩度达3.0 d B.音频段1.34μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.     

低分析频率压缩光的实验制备

基于PPKTP晶体的阈值以下光学参量振荡(OPO)过程,制备了共振于铷原子D1线795 nm的压缩真空态光场,研究了分析频率处于千赫兹范围的主要噪声来源,特别是795 nm激光及其二次谐波397.5 nm激光在晶体内吸收引起的非线性损耗增加和系统热不稳定的问题(397.5 nm激光处于PPKTP晶体透光范围边缘,具有高于其他波长数倍的吸收系数).以795 nm和1064 nm为例,分析了非线性损耗及晶体内热效应对压缩度的影响.受限于以上因素,795 nm压缩光很难得到1064 nm波段同样的压缩度.探测系统中的噪声耦合则限制了压缩频带.实验上对分析频率为千赫兹的经典噪声进行了有效控制,通过使用真空注入的OPO、垂直偏振及反向传输的腔长锁定光、低噪声的平衡零拍探测器、高稳定度的实验系统及量子噪声锁定等方法,最终在2.6—100 kHz的分析频段得到了约2.8 dB的795 nm压缩真空.该压缩光可用作磁场测量系统的探测光以提高测量灵敏度.     

10-Hertz squeezed light source generation on the cesium D2 line using single photon modulation

Generation of squeezed light source is a promising technique to overcome the standard quantum limit in precision measurement. Here, we demonstrate an experimental generation of quadrature squeezing resonating on the cesium D₂ line down to 10 Hz for the first time. The maximum squeezing in audio frequency band is 5.57 dB. Moreover, we have presented a single-photon modulation locking to control the squeezing angle, while effectively suppressing the influence of laser noise on low-frequency squeezing. The whole system operates steadily for hours. The generated low-frequency squeezed light source can be applied in quantum metrology, light−matter interaction investigation and quantum memory in the audio frequency band and even below.     

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.     

铷原子D1线真空压缩光场的产生及态重构

碱金属原子是光量子存储的良好介质,与碱金属原子共振的非经典光场是量子信息处理的重要资源.本文采用周期极化磷酸氧钛晶体作为非线性介质,利用参量振荡过程产生了795 nm(铷原子D1线)的真空压缩光场.通过对平衡零拍探测系统的时域信号进行采集,得到压缩光场不同相位角下的噪声分布;利用极大似然估计法对压缩光场进行了态重构,得到了密度矩阵及相空间的Wigner函数.理论计算了真空压缩场的光子数分布和Wigner函数,并对理论计算结果和极大似然重构结果进行了分析和比较.     

低频压缩态光场的制备

低频压缩态光场可用于提高引力波探测器灵敏度, 近年来受到人们的广泛关注. 相对于高频段而言, 低频压缩态的产生更容易受到外界环境噪声的干扰而不易被观察到. 本文采用全固化单频倍频Nd: YVO4/KTP激光器作为光源, 利用双波长共振的光学参量振荡器实现参量过程, 以1064 nm波长的红外作为基频光, 激光器腔内倍频产生的532 nm绿光作为抽运光, 通过调节周期性极化磷酸氧钛钾晶体温度使光学参量振荡器达到双波长同时共振, 采用真空注入的方式, 利用Pound-Drever-Hall锁腔技术锁定抽运场. 输出压缩光通过平衡零拍探测, 最终在实验上获得了频率低至3 kHz的真空压缩, 所直接观察到的压缩度为2 dB.     

Coherent control of vacuum squeezing in the gravitational-wave detection band

We propose and demonstrate a coherent control scheme for stable phase locking of squeezed vacuum fields. We focus on sideband fields at frequencies from 10 Hz to 10 kHz, which is a frequency regime of particular interest in gravitational-wave detection and for which conventional control schemes have failed so far. A vacuum field with broadband squeezing covering this entire band was produced using optical parametric oscillation and characterized with balanced homodyne detection. The system was stably controlled over long periods utilizing two coherent but frequency shifted control fields. In order to demonstrate the performance of our setup the squeezed field was used for a nonclassical sensitivity improvement of a Michelson interferometer at audio frequencies.     

Coupled-resonator-induced transparency with a squeezed vacuum

We present the first experimental observation of quantum fluctuation spectra in two coupled optical cavities with an injected squeezed vacuum light. The quadrature components of the reflected squeezed vacuum spectra are measured by phase-sensitive homodyne detector. The experimental results demonstrate coupled-resonator-induced transparency in the quantum regime, in which the electromagnetically-induced-transparency-like characteristic of the absorption and dispersion properties of the coupled optical cavities determines the line shape of the reflected quantum noise spectra.