探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

相干态和压缩真空态的自适应最优估计方法

针对文献[物理学报65 054203]中量子零拍探测技术测量的输出相位精度与相位自身相关,且对本振光、压缩真空光和相干光的相位有严格要求,在理论上设计了一种相干态和压缩真空态的自适应最优估计方法.首先以纯态的方法推导得到相干态和压缩真空态的量子费舍尔信息,sinh~2r+|α|~2e~(2r).设计了一组能使估计误差达到量子Cramer-Rao下界的最优半正定算子值测量算子,但该测量算子需要精确已知所要估计的相位参数.为此,引入了一种自适应估计方法,通过不断更新测量算子和概率函数,利用最大似然估计器逐渐得到相位参数.经理论证明,该方法能以概率1收敛于相位真值,且能达到量子Cramer-Rao下界.     

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.     

量子隐形传态的新方案

提出一个量子隐形传态的新方案. 通过对一对压缩参数相同但相互独立的双模压缩真空态(1-2和3-4量子态系统)中的2-3系统施行粒子数-相位的联合测量,制备出另外两体系统(1-4系统)的纠缠态作为纠缠源,从而实现量子隐形传态. 关键词： 量子隐形传态 双模压缩真空态 纠缠态 粒子数-相位测量     

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。     

压缩真空光输入和光子计数法增强Sagnac效应

压缩真空光输入和平衡零拍探测可有效增强Sagnac效应,提高陀螺精度;考虑平衡零拍探测的相位精度与相位自身相关,仅在某特定相位能达到最佳灵敏度,设计了一种基于光子计数法提取Sagnac输出相位的方案,并利用贝叶斯理论估计相位.理论分析结果表明,该方法能突破散粒噪声极限,相位精度不再受限于相位自身,且当压缩真空光和相干激光功率相同时,精度在理论上能达到海森堡极限.     

压缩真空光输入和光子计数法增强Sagnac效应（英文）

压缩真空光输入和平衡零拍探测可有效增强Sagnac效应,提高陀螺精度;考虑平衡零拍探测的相位精度与相位自身相关,仅在某特定相位能达到最佳灵敏度,设计了一种基于光子计数法提取Sagnac输出相位的方案,并利用贝叶斯理论估计相位.理论分析结果表明,该方法能突破散粒噪声极限,相位精度不再受限于相位自身,且当压缩真空光和相干激光功率相同时,精度在理论上能达到海森堡极限.     

双数态输入型M-Z干涉仪中量子相位的最大似然估计和贝叶斯分析

本文采用最大似然估计和贝叶斯分析两种方法，对双数态输入型马赫-曾德尔干涉仪中的量子相位估计进行研究.通过对干涉仪输出端粒子数差和宇称进行理论计算和数值模拟，发现采用贝叶斯分析和粒子数差测量的组合，可以在全相位空间实现最优测量，即待估相位精度达到由量子克拉美罗下界所给定的测量极限，同时，利用贝叶斯分析进行相位估计所需样本数较最大似然估计更少.在通过宇称测量进行相位估计的研究中，发现无法利用贝叶斯分析实现相位估计，但可采用最大似然估计进行研究.借助蒙特卡洛数值模拟分析，我们验证了理论计算结果，即相位估计精度会随待估相位θ₀的变化而改变，将其与粒子数差测量结果对比，进一步确认了粒子数差测量方案的优越性.     

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.     

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.     

能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究

所有经典的双模(两路径)干涉仪的相位测量精度都受限于1/N/(1/2)(其中N为参与干涉测量的总粒子数),这一极限被称为经典极限或标准量子极限.量子计量学最重要的目标之一是探索如何通过量子纠缠实现超越经典极限的测量精度.双数态是一种能突破经典极限的纠缠态,它由数目相等、不可区分的自旋朝上和朝下(双模)玻色粒子组成.通过光学自发参量下转换或囚禁离子内态的操控手段已实现了不到十个光子或离子的双数态.利用玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋混合过程,近年来也能产生多达几千个原子的双数态.但是这样制备的双数态的总粒子数的随机涨落过大,限制了它们的实际应用潜力.最近,我们通过调控原子凝聚体中的量子相变,实现了超过一万个原子的双数态的确定性制备.本文简要综述这一研究进展.     

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.     

利用双模压缩真空态实现量子态的远程传输

借助于双模压缩真空态在EPR纠缠态表象中的表示，研究了用双模压缩真空态作为量子通道 实现任意的单模和双模量子态的远程传输. 关键词： 量子隐形传态 EPR纠缠态 压缩真空态     

基于量子照明的导航测距方案

针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题,利用量子压缩效应来提升时延估计精度,同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案,对目标存在的回波信号进行统计判断,从而确定距离参数。在相干探测的基础上,分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性,并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明,相较于传统测距方法,利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率,性能上优于经典方案,且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。     

基于标记配对相干态和轨道角动量的量子密钥分配

针对标记配对相干态(HPCS)下量子密钥分配协议采用极化编码和相位编码带来基的依赖性问题,研究了基于HPCS和轨道角动量(OAM)的非对称信道测量设备无关的量子密钥分配协议。分析了该协议在不同距离比率下的平均光子数、误码率、密钥生成率与信道传输损耗的关系。在HPCS和OAM下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关的量子密钥协议的性能优劣。仿真结果表明:采用HPCS弥补了弱相干光源和标记单光子源的不足,大大减少真空脉冲并增加了单光子脉冲;随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的。     

隐形传送单光子数态保真度的优化

基于Braunstein与Kimble的连续变量量子隐形传态方案,利用双模压缩真空态作为纠缠通道,通过调节输出端位移因子可以优化单光子数态量子隐形传态的保真度。     

依赖强度耦合的级联三能级原子系统中双模压缩真空初态场的非经典性质

运用全量子理论研究了依赖强度耦合的级联三能级原子系统中双模压缩真空初态场的压缩及量子统计性质,并讨论了初始光场的压缩参量以及原子—光场单光子失谐量对光场非经典性质的影响.     

叠加激发双模压缩真空态的量子统计特性(英文)

从激发双模压缩真空态a^+mb^+m|ξ>出发构造了叠加态|Ψ>,研究了|Ψ>的量子统计特性.结果表明:在一定的条件下,随着相位差的变化,叠加态|Ψ>的平均光子数出现类似于Rabi振荡的崩塌与复原现象,而且与单个激发双模压缩真空态a^+mb^+m|ξ>相比,在叠加态|Ψ>中光场的相位压缩和亚泊松光子统计特性都得到了加强.     

基于线性与非线性干涉仪的量子精密测量研究进展

量子精密测量根据量子力学的基本原理,利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量.随着实验条件和技术的成熟,如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯极限成为研究的前沿课题.本文阐述了利用线性干涉仪(包括原子/光子干涉仪)与非线性干涉仪调用不同阶段的量子资源在测量过程中提高参数评估精度的几种方法,通过向干涉仪中输入非经典态来实现高精度测量,如压缩态、双数态、NOON态等,还介绍了为直接观测量子态而发展出的弱测量及其在非厄米系统中的应用和为消除参数之间精度制衡而提出的多参数测量.最后,对几种测量方法进行了分析比较,并展望了量子精密测量的发展前景.