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.     

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.     

基于纠缠相干态的量子照明雷达

量子照明雷达旨在利用量子光场探测热噪声环境下低反射率目标是否存在.发射光源的纠缠特性使其较经典雷达具有独到的探测优势.纠缠相干态(entangled coherent state, ECS)作为一类在噪声环境下纠缠鲁棒性较强的量子态,近年来在量子科学的多个领域得到广泛的应用.本文研究了基于三类不同ECS态的量子照明雷达的目标探测性能,并以双模压缩态(two-mode squeezed vacuum state, TMSV)和相干态作为基准对比和分析了三类ECS态纠缠度大小与其探测性能之间的关系.研究发现:在目标为低反射率且发射光子数远小于背景噪声的情形下,三类ECS态的探测性能优于相干态,劣于TMSV态;此外,三类ECS态的探测性能可由其纠缠度的大小来决定.在其他照明条件下,使用量子照明雷达进行目标探测较相干态雷达并无明显的优势,三类ECS态的探测性能与TMSV态和相干态方案并无明显联系.     

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.     

基于零拍探测和压缩真空光输入增强Sagnac效应

利用量子技术增强Sagnac效应提高陀螺输出精度具有重要的研究意义, 是实现全自主导航的重要途径. 以相干态激光作为输入光源的光学陀螺因真空零点波动使其输出精度限制于散粒噪声极限而难以提高. 为减小真空波动的影响, 提出在激光输入的分束器的另一输入端输入压缩真空光并结合平衡零拍探测技术的方法增强Sagnac效应. 理论分析表明Sagnac效应性能得到有效提升: 干涉输出的灵敏度检测极限和动态范围均随着压缩程度的增加而呈指数级增长. 该方法只需对经典光学陀螺做少量改动就可实现, 是提高光学陀螺输出精度的一种新方法.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

1064nm固体激光器和光纤激光器在制备压缩真空态光场实验中的对比研究

实验和理论研究了单频固体激光器和单频光纤激光器的相对强度噪声对压缩真空态光场测量精度的影响.在实验中分别采用单频固体激光器和单频光纤激光器作为实验系统的光源,直接探测到的压缩真空态光场的压缩度分别为(13.2±0.2) dB和(10±0.2) dB.通过理论计算得知本实验中影响可测压缩度的主要因素是光源的相对强度噪声,为实用化的高压缩度压缩真空态光场发生器的研制提供了理论和实验指导.     

双模最小关联混合态作为量子信道实现量子隐形传态的保真度

基于Braunstein和Kimble提出的B-K方案以双模最小关联混合态作为量子信道实施对未知量子态的隐形传送，并以传送相干态为例进行了研究.结果表明：双模最小关联混合态作为一种广义的Einstein-Podolsky-Rosen型纠缠态在实现量子隐形传态中能很好地担当量子信道的角色，在纠缠度和压缩度选择适当的条件下被传送未知量子态的保真度可以达到1.这是比双模压缩真空态更优越的量子信道. 关键词： 量子隐形传态 双模最小关联混合态 保真度     

利用PPKTP晶体产生真空压缩态及其Wigner准概率分布函数的量子重构

通过光学腔内置周期极化磷酸氧钛晶体的连续光学参量振荡器,以532nm光场为抽运场,产生1064nm的真空压缩态光场,利用平衡零拍探测技术得到3.41dB的实测压缩度,并采用量子层析技术重构出真空压缩态光场在相空间的Wigner准概率分布函数. 关键词： 真空压缩态光场 光学参量振荡器 量子层析 Wigner准概率分布函数     

相干反馈控制实现两组份纠缠态光场纠缠增强

两组份纠缠态光场是量子信息和量子计算的基本资源,随着研究的深入发展,为了完成更高效的量子信息处理,必须首先获得高纠缠度的两组份纠缠态光场。而通过操控实现纠缠光场纠缠度增加是目前提高纠缠光场质量的一个行之有效的办法。相干反馈控制由于不会带入额外噪声至光学参量系统的特点已经被实验证明可以用于压缩态光场压缩度的增强。理论计算增加了相干反馈系统的非简并光学参量放大器输出的两组份纠缠态光场的量子关联噪声与各系统参数的关系,并详细分析了各参数对相干反馈纠缠增强的影响,为进一步获得更高纠缠度的两组份纠缠态光场提供参考。     

非对称自旋-轨道耦合系统的多体量子相干含时演化

本文以具有非对称性自旋相互作用的三体自旋系统为研究对象,重点研究了三体量子相干含时演化规律.采用精确量子对角化和基于量子主方程的数值模拟方法,讨论了三体量子系统中多种量子相干组分及其退相干.研究发现,量子相干组分的含时演化与整个系统的初态量子特性紧密相关.当初态为可分离纯态时,在较短时间内,非对称相互作用有利于增加多体量子相干度.这些量子相干度因受噪声影响而逐渐衰减.当初态为类Werner态时,量子相干度的分布满足加和性,即三体量子相干度等于所有两体量子相干度之和.自旋之间非对称相互作用和环境噪声都会引起三体量子相干度大于所有两体量子相干度之和.这些结论有助于多体量子资源的制备.     

基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案

往返式离散调制连续变量量子密钥分发,无需使用两台独立的激光器也能本地生成本振光,并且信号光与本振光均来自于同一台激光器,在有效保证系统实际安全性的同时,具有较好的同频特性.此外,该方案与高效纠错码具有良好的兼容性,即使在低信噪比情况下也能获得较高的协商效率.然而,基于非可信信源模型的往返式光路结构存在较大的过噪声,严重限制离散调制方案的最大传输距离.针对这个问题,本文提出基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案,即在探测端部署非高斯态区分探测器,采用自适应测量方法并结合贝叶斯推论,可以在满足低于标准量子极限错误概率的情况下无条件区分出基于四态离散调制的四种非正交相干态.本文详细分析了所提出的基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案的安全性,包括渐近情况与有限长效应情况.仿真结果表明所提出的方案相比于原始方案,即使在有信源噪声的情况下,其密钥率与最大传输距离仍然有明显的提升.这些结果表明本方案能够有效降低往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案中非可信信源噪声对方案性能的负面影响,在保证系统实际安全性的同时,实现更高效、更远传输距离的量子密钥分发.     

压缩真空态光场在光纤中传输特性的研究

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5μm压缩真空态光场,压缩度为(5.03±0.13) d B。将已制备的1.5μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输,在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化,并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时,压缩度为0.14 dB,压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。