损耗容忍的量子增强型干涉仪

杜威

华东师范大学

摘要：光学干涉仪已经成为世界上最灵敏的相位敏感器,日新月异的技术使得光学测量不再受限于技术噪声,取而代之的是光子本性的统计随机分布,即光子的散粒噪声。近年来,量子效应引入各种精密器件,将人类的测量极限精度突破到了一个新的高度。量子压缩和纠缠可通过改变光子的统计分布特性来降低光场噪声,是提高干涉仪测量精度的一种十分有效的方式。本文主要是在量子度量学这一大背景之下,利用热铷原子系综中的四波混频过程所产生的量子压缩光源,提升经典器件的测量灵敏度。本文将主要介绍以下四个方面的工作:1.我们在热85Rb原子系综中,实现了一种三维结构的四波混频。早期在热原子系综中已经被广泛应用的非简并四波混频结构,其两泵浦光共线且频率简并,导致产生的孪生光束频率非简并。频率非简并的孪生光束难以在传统的线性光学分束器上实现光学干涉,限制了这一类量子光源的实践应用。我们通过反转早期非简并四波混频的能级结构,令两泵浦光的频率非简并且方向不共线,实现了频率简并双模压缩光的发射。三维结构四波混频中的四束光场方向均不相同且频率可以控制,使我们拥有更高的自由度去调控输出的双模压缩光,最终我们利用频率简并的双模压缩光实现了PA+BS结构的光子关联干涉仪。2.我们实现了全光SU（1,1）干涉仪信号和噪声的同频段测量。全光SU（1,1）干涉仪是一种利用量子关联实现的非线性干涉仪,其结构类似于传统的马赫曾德尔干涉仪,但是其用于分束和合束的元件被替换成了基于四波混频过程的光学参量放大器。得益于光子关联的特性,其输出的信号场相对于经典干涉仪被无噪声放大,同等相敏场强下提高了相位测量的灵敏度。早期的研究工作,通过对信号和噪声分离的分析只是间接的证明SU（1,1）干涉仪量子提升的相位敏感度。我们建立了一套非线性干涉仪的相位锁定系统,实现了信号和噪声的同频段测量。并细致研究了相位灵敏度和光强的关系,测量到同等条件下相位灵敏度相对于线性干涉仪3.2dB的提升。这一套探测系统,第一次真正意义上实现全光SU（1,1）干涉仪对于微弱信号的直接测量。3.我们实现了基于SU（1,1）干涉,高绝对灵敏度、探测损耗容忍的量子提升相位测量。早期人们已经实验实现了量子提升敏感的SU（1,1）类型干涉仪,然而由于这种非线性干涉仪的相位敏感光场来源于量子光源,而产生大量的量子光场是极其困难的,因而难以实现高相位敏感光强的非线性干涉仪。
关键词：压缩光; EPR纠缠; 量子关联; 干涉仪; 四波混频; 放大器;
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