介绍新书《量子频标原理》

《量子频标原理》(王义遒等著)一书最近由科学出版社出版,这是我国第一部关于量子频标方面的专著,内容极为丰富. 量子频率和时间标准(量子频标和原子钟)是量子物理学和电子学高度结合的产物,是波谱学在技术上应用最突出的成就之一.目前,量子频标已成为理论性强、工艺精和应用广的一门崭新的分支学科.随着科学技术的突飞猛进,人们对测量时间、空间、长度和温度等物理量的精确度要求也越来越高,而以量子频标为基础的时间频率测量的相对精密度和准确度高达 10-16和10-14数量级,远远超过对其他物理量测量的精度,所以人们常常想方设法将其他物理…     

量子频标与波谱谱线的频移和增宽

量子频率标准(或原子钟)是应用波谱学成就建立起来的精密准确的时间频率测量设备,在现代科学技术上有广泛用途和深远影响.目前,量子频标的频率稳定度和准确度均已分别达到14和10数量级,利用量子频标进行时间频率测量可以得到当代科学测量最高的精密度和准确度.这使一些物理学理     

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.     

量子频标中的原子物理

频率是自然界中测量得最准的物理量.量子频标是频率的测量标准,它是利用原子跃迁谱线的稳定而准确的频率作为参考频率.频标研究中存在几乎所有的原子物理问题,如原子结构与光谱、原子与电磁场的相互作用以及原子碰撞等问题值得深入研究.本文就量子频标的基本原理和应用,量子频标中存在的原子物理问题做以简要评述.     

利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量

频率是电磁波最重要的一个基本物理量,随着THz技术的发展,在光源研制、宽带通信、超精细光谱测量等领域都对THz频率的高精度侧量提出了要求.传统的Fabry-Perot干涉法与外差探测法难以实现THz频率的高精度测量,频率梳方法虽然测量精度很高,但测量系统复杂.本文提出一种利用重复频率自由漂移的飞秒激光器实现太赫兹频率精密测量的新方法.通过对非锁定的飞秒激光器的重复频率和THz拍频频率进行同时连续采集与计算,得到被测THz频率,测量精度可以达到10~(-10)量级无需对飞秒激光重复频率进行复杂的锁定控制,测量系统大大简化.     

光和原子关联与量子计量

物理量的测量与单位标准的统一推动了计量学的发展.量子力学的建立,激光技术的发明以及原子与分子物理学的发展,在原理与技术上进一步刷新了计量学的研究内涵,特别是激光干涉与原子频标技术的发展,引起了计量学革命性的飞跃.基于激光干涉的引力波测量、激光陀螺仪,基于原子干涉的原子钟、原子陀螺仪等精密测量技术相继诞生,一个以量子物理为基础,探索与开拓物理量精密测量方法与技术的新的科学分支——量子计量学(Quantum Metrology)已然兴起.干涉是计量学中最常用的相位测量方法.量子干涉技术,其相位测量精度能够突破标准量子极限的限制,是量子计量学与量子测量技术的核心研究内容.本文重点介绍近几年我们在量子干涉方面所取得的新开拓与新发展,主要内容包括基于原子系综中四波混频过程的SU(1,1)型光量子关联干涉仪和基于原子系综中拉曼散射过程的光-原子混合干涉仪.     

基于量子Fisher信息的量子计量进展

量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域.超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度,这已经成为量子精密测量中的共识.量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用.本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容;然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用,特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定;再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展;最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.     

基于单个量子级联激光器的大气多组分测量方法

利用单个新型中红外量子级联激光器作为激光光源,结合长程光学吸收池技术开展了大气多组分同时测量方法的研究.通过结合基于自适应性Savitzky-Golay滤波的数据处理算法,有效地提高了系统检测灵敏度和光谱分辨率.研究结果表明,在1 s的时间分辨率和1 atm压力条件下,采用二次微分探测技术可实现CO,N_2O和H_2O测量精度分别为8.20 ppb,7.90 ppb和64.00 ppm(1 ppb=10~(-9),1 ppm=10~(-6));通过提高信号平均时间,在最佳的积分时间(85 s)时,系统可实现的最小检测限分别为1.25 ppb(CO),1.15 ppb(N_2O)和35.77 ppm(H_2O).整个系统具有结构紧凑,成本相对较低,通过选择其他波段的量子级联激光器的激光光源,即可实现对其他分子的实时分析.本系统可广泛应用于大气化学等领域的应用研究.     

基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感

在室温下,金刚石中的氮-空位(NV)色心具有荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点,是优良的纳米量子传感器.在成像领域中,将各种超分辨成像显微技术应用于NV色心体系,发展出多种高空间纳米分辨率的成像方法.此外,NV色心作为固态量子比特可以通过光学方法对其进行初始化和读取.NV色心电子自旋量子态还可以与电磁场、应力等进行相干耦合.基于这些耦合,科研人员在实验上实现了对相关物理量纳米级空间分辨率的高灵敏表征.目前这些量子传感技术可以应用在新材料、单个蛋白质核自旋、活体神经元等方面的测量中.本综述主要介绍金刚石中NV色心纳米量子传感器件的工作原理、实验实现和优化以及在相关领域的应用.     

光晶格原子钟研究进展

钟跃迁频率在光学频段的光晶格原子钟已经实现了10-19 量级的频率稳定度和10-18 量级的频率不确定度, 在量子频标、 量子模拟和精密测量等领域有着重要的应用. 本文综述了光晶格原子钟的发展历史、 工作原理、 性能评估和应用与展望.     

Dirac方程中的量子与经典对应

根据Heisenberg对应原理(HCP),在经典极限下厄密算符的量子矩阵元对应经典物理量的Fourier展开系数.将HCP应用到相对论领域的Dirac方程中,对于自由粒子和在匀磁场中的带电粒子,其量子算符的矩阵元在经典极限下对应着相对论物理方程的解.计算表明,在经典极限下量子期望值就是对应经典物理量的时间平均值.     

高振动激发态DBr(X~1Σ~+,v″=8、7)与 D_2,Ar间的碰撞振动能量转移

利用YAG激光器泵浦OPO激光简并受激超拉曼泵浦DBr分子至基电子态的高振动态v″=8、7,研究高振动态DBr分子与其他碰撞气体(Ar、D_2)的碰撞弛豫过程.对于DBr(v″=8)和Ar、D_2混合体系,由高分辨瞬时激光感应荧光光谱方法探测碰撞弛豫后DBr分子振动态v″=8的时间分辨布居数的演化过程.保持总压强不变,改变碰撞气体的摩尔配比,测量相应条件下的有效寿命,由混合气体系统中Stern-Volmer公式,得到DBr(v″=8)分子与Ar、D_2的碰撞弛豫速率系数分别为k_8(Ar)=(0.51±0.1)×10~(-12 ) cm~3molecule~(-1)s~(-1),k_8(D_2)=(3.50±0.8)×10~(-12) cm~(3 )molecule~(-1 )s~(-1);DBr(v″=8)分子的平均自弛豫速率系数为k_8(DBr)=(1.20±0.4)×10~(-12) cm~3molecule~(-1)s~(-1).对于摩尔配比为0.5的DBr和D_2混合体系,Ti宝石激光器分别双光子激发DBr v″≤8、7各振动态至第一电子激发态A~1Πv′态,测量各个振动态的荧光光强随时间演化,测量结果表明DBr (v″=8、7)与D_2的碰撞弛豫中均发生了二量子弛豫;对于摩尔配比为0.4的DBr(v″=8)和Ar混合体系,只有连续单量子碰撞弛豫过程.     

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.     

超导量子比特实验的开端

我们对超导量子比特领域的科学背景、历史起源和早期发展做简要评述.莱格特(Anthony J. Leggett)为这个领域打下了理论基础.克拉克(John Clarke)和他的两个学生马丁尼(John Martinis)和德沃雷(Michel H. Devoret)最早通过偏电流约瑟夫森结,首次观察到约瑟夫森结的量子行为.后来德沃雷实现了电荷量子比特叠加态、电荷-磁通混合量子比特的拉比共振和其他演化及投影测量.中村泰信(Yasunobu Nakamura)首先实现电荷量子比特的量子叠加和拉比振荡,还参与莫伊(J. E. Mooij)组实现了磁通量子比特的拉比振荡和读出.     

量子阱光学过程的瞬态特性

当量子阱材料注入(例如光注入)大量非平衡载流子时,非平衡载流子的动力学过程可分为两个过程:一是高激发过剩非平衡载流子的快速弛豫过程,即热载流子通过发射纵向光学声子(LO声子)与晶格交换能量、释放能量.描述这个过程的主要物理量是LO声子的散射时间常数,其时间域大约为几个ps到几十个ps,取决于激发强度、量子阱宽度等.另一个过程是弛豫到导带底(价带顶)的载流子通过辐射复合放出光子,即辐射复合发光.描述这个过程的主要物理量是发光寿命。 一、量子阱中辐射复合发光 动力学过程研究 在量子阱结构中,载流子复合发光动力学过程和体材料…     

量子体系中的时域压缩-频域展宽正、逆效应及其非经典性

本文利用全量子理论,对连续能谱量子体系和分立能谱量子体系中的时域压缩-频域展宽以及频域压缩-时域展宽效应进行了详细研究.在文献17构造时间算符的基础上给出频率算符ω∧的定义,根据时间算符t∧与频率算符ω∧之间的对易关系并利用Cauchy-Schwartz不等式导出t∧和ω∧所满足的测不准关系式.给出时域压缩和频域压缩的定义,并对时域/频域上的最小测不准态、压缩最小测不准态和压缩态等进行了详细讨论,指出了时域压缩和频域压缩的非经典性质.给出时域上的拟量子产生算符τ∧+(t)、拟量子湮没算符τ∧(t)和拟量子数算符N∧τ(t)的定义,首次建立了时域量子化的形式理论,并由此进一步提出了时域量子化的基本观点.     

基于频分复用波长调制光谱的NO_2及NH_3浓度测量

基于中红外量子级联激光器(QCL)以及频分复用波长调制光谱技术,实现了NO_2及NH_3的高精度同时测量。对中心频率在1600.0cm~(-1)及1103.4cm~(-1)附近的两支QCL施加不同频率的正弦调制,利用数字锁相技术得到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号。搭建了一套基于该技术的开放式空气中NO_2及NH_3的测量系统,多次反射池的光程为60m。利用25cm长的参考池进行浓度标定,发现系统在较大的浓度范围内具有优良的线性响应。两种气体的检测限均小于10~(-9)量级。使用系统进行了24h的气体监测,测量结果与参考仪器的结果吻合较好。     

利用高温超导直流量子干涉器件进行10-6 T量级磁场下核磁共振的研究

研究了水样品在10-6 T量级磁场下的核磁共振谱.核磁共振信号由一个工作在液氮温度的高温超导直流量子干涉仪记录,测量在一个简易磁屏蔽室中进行.在7-70 μT的磁场范围内都观察到了15 ml水样品的核磁共振信号.相应的1 H的核磁共振频率为300-3000 Hz.在实验中获取的单次测量信噪比约为4,通过对信号的100次平均,信噪比可达到约40.进一步讨论了剩余磁场、预极化时间和采样时间对结果的影响.最后用数字滤波之后平均的方法初步得到了时域的自由感应衰减信号.     

基于部分测量增强量子隐形传态过程的量子Fisher信息

量子Fisher信息(QFI)是量子度量学中的一个重要物理量,可给出预估参数精度的最优值.本文研究如何引入弱测量和测量反转操作,来提高有限温环境下以Greenberger-Horne-Zeilinger态作为量子通道的隐形传态过程中的QFI.依据隐形传态过程中量子比特的传输情形,考虑了三种不同方案相应的QFI.首先,通过构造每种量子隐形传态方案的量子线路图,分析了QFI与推广振幅衰减噪声参数的变化关系.随后对各种方案中的受噪声粒子施加弱测量和测量反转操作,并对相应的部分测量参数进行优化,着重探讨了施加最优部分测量操作后QFI的改进量.结果表明,经过优化后的部分测量操作能有效提高有限温环境下量子隐形传态过程输出态的QFI;而且量子系统所处的环境温度越低,QFI的提高效果可越显著.     

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.