基于原子系综四波混频的光量子关联干涉仪
光学干涉仪,由于其对相位变化极其敏感,已成为精密测量领域一个非常重要的测量方法。不止一次,精密测量中测量精度的提高给我们的认知和生活都带来了很大的改变。
近年来,随着测量技术的不断改善,提高度量精度的研究已从经典的宏观世界发展到微观量子区域。目前许多精密测量中的测量灵敏度都受限于标准量子极限。
若要实现更高精度的精密测量,需要借助量子手段才可以突破,便出现了量子精密测量。本文中将研究利用量子关联特性实现的测量灵敏度优于标准量子极限的非传统干涉仪,并围绕原子系综四波混频的光量子关联干涉仪进行了一系列理论及实验研究,分析讨论了其测量灵敏度优于标准量子极限甚至接近海森堡极限的可能性,也给出了实现低噪声放大器的可行方案。
另外本文还研究了利用量子关联和干涉效应实现的压缩增强现象。本论文主要内容有以下几个方面：(1)本文将首先研究一种新型的非传统干涉仪,其中分束与合束的元件不再是线性分束器,取而代之的是基于四波混频过程的参量放大器。
该光量子关联干涉仪的相位测量灵敏度将大大优于传统的线性干涉仪。实验上得到了其干涉对比度在很大的参数范围内都可以保持优于0.9的结果,有力地证明了该干涉仪具有很好的稳定性和抗干扰性。
还对该干涉仪的信噪比(sNR)提高进行了详细的研究,发现在相同条件下,非传统干涉仪比传统干涉仪的信噪比提高了4.1士0.3 dB。这些优势大大拓宽了该光量子关联干涉仪的应用领域。
(2)紧接着,本文从理论上分析讨论了不同的光量子关联干涉仪的相位测量
灵敏度。发现在采用四波混频参量放大器加线性分束器(PA+BS)的模型时,由于参量放大器的输出态为纠缠态,其量子噪声之间存在关联,因而当分束器将其叠加时,干涉相消现象将会抵消互相关联的量子噪声,从而使得干涉仪输出信噪比优于标准量子极限。
同时,还讨论了输入场处于不同量子态时,该干涉仪的相位测量灵敏度达到海森堡极限的可能性。(3)此外,本文中将从实验上实现利用关联特性消除放大器内部噪声的低噪声放大器。
在放大过程中,额外的量子噪声通常会通过放大器(Amplifier)的内部自由度(internal degree)耦合到放大器中。使得放大后的信噪比反而降低。
即便采用压缩光填补放大器内部自由度的方案可以有效地抑制额外噪声,但最理想的情况下也只能实现在放大过程中信噪比保持不变。而本文所讨论的方案中,让输入信号模式与放大器内部模式之间产生量子关联,再利用干涉相消过程消除具有关联特性的量子噪声,从而实现在放大信号的同时不放大噪声,提高了输出场的信噪比。
在实验中,该具有纠缠特性的放大器得到了4.0土0.2dB的信噪比提升。(4)最后,本文展示了该光量子关联干涉仪不仅可以用于噪声抑制的精密测量,还可以通过相位来进行量子调控,并在干涉相长时实现压缩增强的效应。
在实验中,当该干涉仪处于干涉相长的相位时,可以得到7.9dB的压缩度,与单次四波混频过程产生的压缩光(3.9dB压缩度)相比,实现了4dB的压缩增强效应。由于量子关联广泛应用于量子通讯,量子信息等领域,因而提高量子关联性有着重要的意义。
基于原子系综四波混频的光量子关联干涉仪
