光场压缩态的产生及其在亚散粒噪声光学测量和量子信息中的应用

光场压缩态是一种非经典光场,它在超标准量子极限（SQL）的高精度光学测量、超低噪声光通信及量限通信等有着广泛应用前景,是物理学和信息科学交叉前沿研究课题,文章介绍了光场压缩态的产生及它在亚散粒噪声光学测量（sub-shot-noise=limit opical measurement）和量子信息中的重要应用。     

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.     

利用楔角KTP晶体实现低阈值非简并光学参量放大器的运转

非简并光学参量放大器产生的纠缠态光场是连续变量量子信息科学研究的重要资源。随着量子网络及量子计算的发展,需要更多组份纠缠态光场来完成对更复杂的量子信息的研究。一般的多组份纠缠态光场是将多个压缩态光场或者Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠态光场通过不同的分束器阵列耦合而成,需要同时制备多个经典相干的EPR纠缠态光场。采用带楔角的非线性晶体,使非简并光学参量放大器的振荡阈值从原来的250mW降低至45mW,当注入腔内抽运光功率为23mW时,依然可以得到正交振幅及相位分量关联噪声分别低于量子噪声极限5.5dB的EPR纠缠态光场。在此基础上,可以使用一台激光器同时抽运多个非简并光学参量放大器来获得所希望的多组份纠缠态光场。     

光压缩器的研制

目前,非经典光场已被成功应用于亚散粒噪声极限光学测量,量子非破坏测量,量子离物传态及量子保密通讯等领域.而且近年来随着以EPR纠缠态的非局域关联为基础的量子信息科学的迅速发展,使可以方便地产生连续变量的EPR关联的双模压缩态光场显示出它广泛的应用前景.但是目前压缩态光场产生系统装置庞大、操作复杂、稳定性不理想.因此实现实用化压缩光产生系统就成为一个重要的研究课题.     

光纤通信波段强度差压缩态光场的实验制备

强度差压缩态光场是指两束光场的强度差起伏低于对应量子噪声极限的非经典光场,由于其两束子模具有较强的强度关联而被用于量子成像、量子随机数产生技术中,此外,又由于其光场强度远高于压缩态光场、纠缠态光场等非经典光场而被广泛用于量子高灵敏测量中。本文利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器制备了1.3μm强度差压缩态光场,它作为一种双色关联光场可以为制备多色纠缠态光场以及开展量子计算奠定基础。     

利用孪生光束产生可调谐亚泊松光场

利用非简并光学参量振荡器（NOPO）产生的强度量子关联孪生光束，在实验上实现了波长可调谐的亚泊松光。实验获得最好亚泊松光噪声低于散粒噪声极限2．6dB；在7．4nm的波长调谐范围内，亚泊松光噪声低于散粒噪声2dB。同时，在实验上直接测量了亚泊松光的统计分布。     

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.     

由NOPA产生高质量明亮压缩光及明亮EPR光束

通过非简并光学参量放大器获得了明亮双模正交压缩光及明亮EPR光束.实验测得明亮耦合模的正交振幅压缩为57±02dB;信号模与闲置模的正交振幅和(正交位相差)的起伏低于散粒噪声极限54±02dB(54±02dB),EPR关联的乘积为0332±0003. 关键词： 明亮双模正交压缩光 明亮EPR光束 非简并光学参量放大器     

基于级联光参量放大器的碱金属原子跃迁线波段压缩光源分析

碱金属原子跃迁线波段压缩态光场是量子信息以及精密测量领域的重要量子资源.碱金属原子跃迁线波长短(760—860 nm),受限于非线性晶体的灰迹效应,光参量放大器制备的此波段压缩态光场的压缩度有限,目前典型值约3—5 dB.本文在光参量放大器的理论模型基础上,结合原子跃迁线波段压缩态光场实验制备面临的问题,研究光参量放大器输出光场量子噪声随其物理参数的变化规律,获得最优的物理参数.构建了级联光参量放大器的理论模型,以此为基础分别在分析频率2 MHz和100 kHz,研究了级联环路光学损耗以及相位噪声对级联系统输出量子噪声特性的影响.研究发现,对于兆赫兹波段的压缩,在低的光路损耗以及位相噪声前提下,级联2—3个光参量放大器可实现压缩的显著提升;对于低频段压缩,级联系统对压缩的增强较小.在目前的实验参数条件下,进一步探究了级联系统输出压缩态光场的量子极限以及频谱特性.本研究可为原子跃迁线波段压缩态光场压缩度的提升提供参考和指导.     

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5 μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 μm光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 μm注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.     

四组份不同频率连续变量纠缠态光场的产生

量子纠缠态是开展量子信息工作的核心资源。提出在一块光学超晶格中通过有注入信号的非简并光学参量振荡级联一个和频过程,可以产生不同频率的四组份连续变量纠缠态光场的可行实验方案。首先泵浦光和注入信号光通过差频过程产生闲置光。然后泵浦光和闲置光在同一块光学超晶格中通过级联和频过程产生和频光。根据多组份连续变量纠缠的判定方法,从理论上证明泵浦光、信号光、闲置光与和频光场之间的量子纠缠特性。四组份纠缠特性随泵浦功率的增大而减弱,另外选取较大的注入信号功率、级联非线性过程的耦合参数和泵浦光衰减常数可以得到较好的四组份纠缠光场。该实验方案只用到一块光学超晶格就可以产生四色连续变量纠缠态光场,实验装置简单。     

对应于铯原子D1线连续可调谐正交压缩态光场的制备

铯原子D₁线的非经典光由于其波长接近于量子点的独特优势,在固态量子信息网络的发展中有着重要的应用前景.在之前的工作中,利用两镜连续简并光学参量振荡器中的参量下转换过程,制备出2.8 d B正交压缩真空态光场.然而,所产生光场的压缩度较低,对于对压缩光具有实用意义的可调谐性能也未做进一步探究.理论分析表明,光学参量振荡器后腔镜对信号光透射率的增加及内腔损耗的减小可以提高压缩度.因此,本文在该研究基础上,通过使用高光洁度腔镜及优化腔镜镀膜参数等方式对光学参量振荡器进行改良,降低了光学参量腔阈值,获得压缩度为3.3 d B的单模正交压缩真空光.当光学参量腔运转为参量反放大状态时,在系统稳定运行的情况下,制备的明亮压缩态光场能够连续调谐80 MHz,为其在量子信息网络中的应用奠定了良好的基础.     

Quantum State Transfer via Adiabatic Passage

我们采用周期极化KTP晶体为非线性介质，通过光学参量振荡器运转于阈值以下的简并参量振荡过程，产生了单模正交压缩真空态光场，在泵浦功率为123mW，Local光功率为842uW，晶体温度为32．1摄氏度时我们使用平衡零拍探测法测得输出场噪声功率低于散粒噪声基准3．41dB。     

非临界压缩光场探测的实验方案研究

压缩态光场作为一种重要的量子光源,在量子计算、量子通信、精密测量等领域有广泛的应用前景.在非临界压缩光场产生的理论预测中,阈值以上泵浦的简并光学参量振荡器(DOPO)产生横向空间分布为一阶厄米高斯模式的非临界压缩光场,具有对泵浦光功率波动鲁棒性的量子特性,因此在实验中具有重要的应用价值.然而该非临界压缩光场的横向幅角随机旋转,导致无法利用本底探针光对其压缩特性进行稳定的平衡零拍实验探测.本文提出利用DOPO同时产生的与压缩光场空间正交的明亮光场作为本底探针光的实验探测方案.理论分析表明,该方案虽然引入了真空噪声,但可以很好地抵消压缩光场空间模式随机旋转引入的探测输出动态波动,得到3 d B的稳定探测结果,且对本底探针光的相位波动具有鲁棒性.因此该探测方案对于非临界压缩光场的实验研究具有重要的实用价值.     

基于SSA-BP网络模型的Hong-Ou-Mandel干涉时延测量研究及其在量子陀螺仪中的应用

作为航空航天导航系统的重要器件,高灵敏度的光学陀螺仪一直是国内外科研工作者的研究重点.经典光学陀螺仪因真空零点波动使其灵敏度受到散粒噪声极限的制约,无法满足日益发展的量子导航需求.本文提出了基于频率纠缠源及Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的量子陀螺仪方案,利用SSA-BP神经网络模型模拟不同的泵浦光和非线性晶体参数,以预测HOM干涉图谱的特性参量干涉可见度及干涉宽度.结合量子Fisher信息理论,获得时延差的最大量子Fisher信息可达1.999,计算得出时延差的不确定度与散粒噪声极限的最小比值为0.707,并依据量子陀螺仪时延差与旋转角速度的关系,验证出旋转角速度的测量灵敏度较经典光学陀螺仪提高了2个数量级.证明上述方案可以实现超越散粒噪声极限的测量灵敏度,能为后续量子陀螺仪的实验验证提供理论支持.     

基于参量放大器的铯原子D_2线明亮偏振压缩光源的产生

原子线共振波段量子光源的制备在精密测量以及研究非经典光与物质的相互作用方面具有重要意义.本文报道了在实验上首次利用低于阈值的环形光学参量放大器产生铯原子D_2线的明亮偏振压缩光.实验上利用参量放大过程产生了波长852 nm附近三个斯托克斯参量■的偏振压缩光源,在频率为2-10 MHz范围内,实测最大压缩达4.3 dB,考虑探测及传输等因素,参量放大器出射的压缩为5.2 dB(即标准量子噪声基准的30.2%).该原子线共振的量子光源在量子存储、光与原子相互作用和超越标准量子极限的精密测量等领域具有重要的应用价值.     

自发参量下转换实现量子非线性逻辑操作方案

自发参量下转换作为一种重要的非经典光场的产生过程,在基础量子光学实验研究、量子通讯、量子计算等领域有着重要的应用.由于参量过程产生的光场具有单光子量子统计特性,在量子通讯中,在提高信息容量,确保信息安全,避免通讯传输过程中的信号窃取等方面具有经典信息无法比拟的优越性.利用I类BBO晶体作为参量下转换,实验上研究了425 nm飞秒脉冲泵浦的下转换光的量子统计分布,并提出了实现量子非线性逻辑门的可行性方案.     

连续变量无条件纠缠交换 --纠缠态的量子离物传送

利用自行设计的两台非简并光学参量放大器，获得了一对具有经典相干性且量子起伏相互独立的连续变量纠缠态光场，并用它完成了连续变量的无条件纠缠交换，即纠缠态的量子离物传送．通过联合贝尔态探测与纠缠塌缩，使两个初始不纠缠而又从未发生过直接相互作用的光场产生了量子纠缠，其正交振幅和位相分量的量子起伏关联方差被直接测量，其测量值分别低于散离噪声极限1．23dB和1．12dB．理论计算与实验结果基本符合．     

利用非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪探测频率非简并纠缠态光场

采用两对光纤构成的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,对非简并光学参量振荡腔产生的20mW频率非简并孪生光束间的强度差与位相和的关联噪声进行测量,在分析频率为2MHz处测得关联噪声分别低于散粒噪声基准31和13dB,从实验上证实了在较低分析频率处孪生光束之间有较高量子纠缠. 关键词： 光学参量振荡腔 孪生光束 光纤Mach-Zehnder干涉仪     

应用强度差压缩光进行微弱吸收光谱学测量

提出一种应用强度差压缩态光场进行灵敏度吸收光谱的分析的方案，并通过并经典理论分析证明，该方案的测量灵敏度不受真空起伏限制，最小可测吸收系数低于光波场的散粒噪声极限。