基于数字非线性锁相环的相干态相位估计

基于量子理论获取相位参数的导航机制,理论上可以突破经典物理极限对导航精度的限制.利用量子零拍探测对相干态光场相位进行测量时,通常需要相位与之正交的本振光才能使测量精度达到量子标准极限.由于导航信号相位的高非线性特点,想要利用传统的线性锁相环获取完全满足条件的本振光具有一定的难度.为此,本文设计了一种基于容积准则的非线性锁相环,实现了在非正交本振光的条件下对相干态相位进行精确测量的功能.首先,利用相干态的Wigner函数推导了其相位在量子零拍探测的输出结果,设计了量子相位估计的非线性数字锁相环框架.然后基于正交单纯形容积准则设计了非线性滤波算法实现锁相环功能,该锁相环通过对本振相位进行多次状态更新,最终实现非线性迭代估计.实验结果表明,本文方法突破了本振光相位需与相干态相位正交的局限性,避免了传统量子锁相环方法引入的线性化误差,实现了对相干态相位的准确、稳定估计.     

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.     

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     

基于平移压缩真空态的强反聚束光场

具有反聚束特性的非经典光场是量子信息与量子光学的重要资源。基于非线性光学的量子干涉效应，通过将压缩真空态与特定相位的相干态在光学分束器上合成的方法获得平移压缩真空态，对压缩度和相干分量进行独立控制以获得反聚束。本文结合实验系统参数，理论研究了压缩真空态的压缩度和相干态的幅度对实验产生反聚束光场的影响。在最优化平移条件下，我们分析了系统总效率、背景噪声，以及Hanbury Brown-Twiss(HBT)与Double HBT测量方法对反聚束光场g⁽(2))(0)测量的影响，并讨论了误差为零处相应量子态的g⁽(2))(0)值和平均光子速率。     

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.     

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.     

基于量子Fisher信息的耗散相互作用光-物质耦合常数的估计

量子参数估计在量子度量学中有着重要的应用,量子Cramer-Rao下界表明量子参数估计精度极限与量子Fisher信息是直接相关的.本文利用量子参数估计理论对光场与原子失谐很大(大失谐)的Jaynes-Cummings模型耦合常数进行估计.制备探测初态为Qubit系统与光场的直积态,光场分别为Fock态、热态和相干态,分别计算了这三种探测态经大失谐Jaynes-Cummings模型哈密顿量演化后复合系统以及Qubit和光场系统的量子Fisher信息.通过分析发现,复合系统的量子Fisher信息随平均光子数单调递增,Qubit基态与激发态的等权叠加态为最优探测态,此时量子Fisher信息达到最大值;当探测态的光场为Fock态和热态时,关于被估计参数的信息都包含于Qubit系统;对于大失谐Jaynes-Cummings模型耦合常数的估计,光场为热态或相干态时耦合常数的估计精度高于光场为Fock态时的精度.     

测量相位算符在压缩热场态中的压缩效应

利用Bannett和Pegg提出的测量相位算符讨论了压缩热场态中测量相位算符的压缩效应。结果表明测量相位算符在压缩热场态中存在CS类压缩，压缩特性与相干态参数幅角θ、平均光子数n^-和压缩参量r有密切的关系。随着n^-和r的增大，CS类压缩效应逐渐减弱，直至完全消失。另有计算表明测量相位算符在压缩热场态中不存在CN和SN类压缩。     

新的奇偶非线性相干态及其非经典性质

构造出了一种新的奇偶非线性相干态, 并借助于数值计算方法研究了它们的压缩、振幅平方压缩、反聚束和相位概率分布等非经典性质. 结果表明, 与通常的奇偶相干态和非线性奇偶相干态不同, 在参数|λ|的不同取值范围内, 新的奇偶非线性相干态在Y₁和Y₂两个方向均可呈现振幅平方压缩效应, 而压缩效应仅在偶非线性相干态的X₂方向上呈现, 反聚束效应仅在奇非线性相干态中呈现. 另外, 通过研究新的奇偶非线性相干态相位概率分布, 发现新的奇偶非线性相干态具有完全不同的量子干涉特性. 关键词： 新的奇偶非线性相干态 压缩效应 反聚束 相位概率分布     

压缩真空中二能级系统的量子Fisher信息

研究压缩真空环境下二能级系统的相位参数估计,考察压缩态参数N和相位参数?取值的不同对量子Fisher信息的影响,重点讨论提高参数估计精度的办法。结果表明:二能级系统相位参数估计的量子Fisher信息随时间衰减,随压缩相位参数?周期性变化。当压缩参数N取值较大时,量子Fisher信息衰减缓慢,二能级系统的相位估计精度高。     

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.     

压缩真空态与压缩单光子态的相干叠加态的非经典性质

通过对量子比特态进行压缩操作,获得压缩真空态与压缩单光子态按一定的权重比例叠加而成的相干叠加态,此相干叠加态与压缩参数和权重因子有关,研究其非经典性和非高斯性.研究结果表明,通过压缩使得量子比特态的光子数分布范围变宽了.特别是从亚泊松分布和Wigner函数负定性情况分析了该量子态的非经典属性,从Wigner函数的边缘分布角度观察了该量子态的非高斯性.发现调节权重因子和压缩参数可以改善该态的非经典性和非高斯性.     

隐形传送单模压缩态保真度的优化

基于Braunstein与Kimble的连续变量量子隐形传态方案，通过调节输出端位移因子可以优化单模压缩相干态和单模压缩真空态量子隐形传态的保真度；分析了单模压缩态的压缩参数对保真度的影响。     

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.     

增光子奇偶相干态的相位特性

借助于Pegg-Barnett相位算符理论和数值计算方法,研究了增光子奇偶相干态的相位概率分布,在此基础之上,讨论了有关数算符和相位算符的压缩特性。结果表明,增光子奇偶相干态的相位概率分布与通常的奇偶相干态、非线性相干态不同,在这种新的奇偶相干态中,其Pegg-Barnett相位概率分布能明显地反映出不同的量子相位信息和干涉特性。同时发现,在参量α的某些不同的取值范围内,增光子奇偶相干态在数算符和相位算符分量上均存在压缩效应。     

依赖强度耦合三光子过程下运动原子最佳熵压缩态的制备

为了研究三光子过程中原子与相干态耦合量子体系信息熵压缩随时间演化规律及原子最佳信息熵压缩态的制备,我们采用全量子理论,推导出运动原子与单模简并三光子依赖强度耦合量子体系的精确解;理论上给出制备原子最佳信息熵压缩态的充分及必要条件,并进行了数值模拟验证.研究结果表明:控制相干态场与原子作用时间,切断相干态场与原子的纠缠,选择二能级原子处于等权重相干叠加态,适当选取相干态场与原子的初始位相,可以制备出原子最佳量子信息熵压缩态;调节光腔中场模结构参量,能够得到连续的量子信息熵压缩态.该研究结果在多光子过程低噪声量子信息处理中具有一定意义.     

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.     

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.     

利用分束器通过条件测量制备非经典光场态和量子纠缠态

把相干态和单粒子数态作为分束器的输入态，通过条件测量可以剪去输入相干态中的任意粒子数态，并研究了这些被剪切了的光场态的性质。结果显示剪去真空态和单粒子数态的输出态具有较强的压缩和亚泊松分布等非经典效应。把剪切了的输出态和真空态输入分束器，得到的输出态具有量子纠缠性质，从而制备出量子纠缠态，同时也验证了被剪切的输出态的非经典性。     

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.