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。     

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。     

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.     

基于无噪声放大的精密测量增强

随着精密测量的发展,量子噪声已经成为精密测量中的重要噪声来源。借助光场的压缩、量子纠缠等非经典特性的测量手段突破量子噪声极限,从而提高测量精度;另一方面,无噪声放大技术可以实现信号的无噪声放大,从而提高测量的信噪比。本文结合压缩态及无噪声放大技术的优势,实现了一种基于无噪声放大的量子精密测量增强方案,与经典测量相比,信噪比增强到2.00倍。     

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.     

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.     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

双模压缩真空态与原子相互作用中的量子纠缠和退相干

考虑双模压缩真空态光场与环境(原子)通过双光子过程发生相互作用,分别用量子约化熵和量子相对熵研究了在此作用过程中双模光场和原子间的纠缠以及双模光场的模间纠缠 关键词： 双模压缩真空态 量子纠缠 量子约化熵 量子相对熵     

粒子数压缩态光场参与的和频过程

本文研究粒子压缩态光场参与的和频过程中各输出的光场的量子统计特性。我们导出各输出光场和总输出光场的归一化量子噪声（Ｆａｎｏ因子）随有效相互作用长度而变化的规律，发现非线性光学过程输入场的量子噪声变大，使和频光场的量子噪声变小，显示输入光场的统计性质的特点部分地转移和频光场。     

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.     

基于增强拉曼散射的光子-原子双模压缩态的实现

拉曼散射过程中利用原子系综中初始制备的自旋激发(原子相干性),以及注入与原子系综中初始制备的自旋激发相关联的种子光场都可以极大的提高光场频率转换的效率,实现增强拉曼散射.本文理论上计算了增强拉曼散射过程中原子-光场量子界面的正交分量的量子起伏,得到了相干性导致的增强拉曼散射,只能在一定的范围内稍微提高初始光子-原子的压缩度;而关联增强拉曼散射,能够制备很强的光子-原子间的双模压缩.这样强压缩度的光子-原子量子界面,对于利用光场和原子系统实现量子精密测量研究有着非常重要的应用.     

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.     

Polarization squeezing of continuous variable stokes parameters

We report the first direct experimental characterization of continuous variable quantum Stokes parameters. We generate a continuous wave light beam with more than 3 dB of simultaneous squeezing in three of the four Stokes parameters. The polarization squeezed beam is produced by mixing two quadrature squeezed beams on a polarizing beam splitter. Depending on the squeezed quadrature of these two beams the quantum uncertainty volume on the Poincaré sphere becomes a "cigarlike" or "pancakelike" ellipsoid.     

多个量子节点确定性纠缠的建立

量子纠缠是一种重要的量子资源,在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠,然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送,这对于实现量子信息网络是至关重要的.本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场,而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移.利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理,将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠.然后,存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道,纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场.三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力.这个方案实现了三个量子节点间的纠缠,并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络,为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.     

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.     

Surpassing the standard quantum limit for optical imaging using nonclassical multimode light

Using continuous wave superposition of spatial modes, we demonstrate experimentally displacement measurement of a light beam below the standard quantum limit. Multimode squeezed light is obtained by mixing a vacuum squeezed beam and a coherent beam that are spatially orthogonal. Although the resultant beam is not squeezed, it is shown to have strong internal spatial correlations. We show that the position of such a light beam can be measured using a split detector with an increased precision compared to a classical beam. This method can be used to improve the sensitivity of small displacement measurements.     

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.     

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.