能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究

所有经典的双模(两路径)干涉仪的相位测量精度都受限于1/N/(1/2)(其中N为参与干涉测量的总粒子数),这一极限被称为经典极限或标准量子极限.量子计量学最重要的目标之一是探索如何通过量子纠缠实现超越经典极限的测量精度.双数态是一种能突破经典极限的纠缠态,它由数目相等、不可区分的自旋朝上和朝下(双模)玻色粒子组成.通过光学自发参量下转换或囚禁离子内态的操控手段已实现了不到十个光子或离子的双数态.利用玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋混合过程,近年来也能产生多达几千个原子的双数态.但是这样制备的双数态的总粒子数的随机涨落过大,限制了它们的实际应用潜力.最近,我们通过调控原子凝聚体中的量子相变,实现了超过一万个原子的双数态的确定性制备.本文简要综述这一研究进展.

冲破“标准量子极限”——中国科技大学郭光灿量子光学小组实现高精度量子相位测量

日前，中国科技大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士领导的量子光学小组实现了高精度的量子相位测量，冲破了“标准量子极限”。并十分接近于量子力学的理论极限——海森堡极限。这种新颖的相位测量方案原则上突破了因测量引发光子数损耗的局限，可望在其他物理量的高精度测量中得到重要应用。

我国首次在固态体系实现突破标准量子极限的磁测量

记者从中国科学技术大学获悉,该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人,基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量,该成果日前发表在《科学进展》上。测量是人类认知自然的重要手段,很多测量行为都受到一个叫做标准量子极限的限制,但这并非最本质的极限,可以利用量子纠缠突破这一限制,并逼近一个更根本的极限--海森堡极限。

里德堡原子雷达接收灵敏度极限

里德堡原子在微波场的存在下呈现出电磁诱导透明效应,因而可用于微弱电场的探测。近年来,基于里德堡原子微波探测技术的新型雷达接收机架构引起了业内广泛关注。文中分析了里德堡原子雷达接收机的外部和内部噪声源,探究了里德堡原子接收机的灵敏度,指出在雷达侦收场景下,当前可制备的里德堡原子接收机灵敏度不及传统电子技术接收机,并针对里德堡原子雷达接收机的实用化提出了技术改进方案。

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.

光量子噪声对激光干涉仪引力波探测器灵敏度的影响

激光干涉仪在引力波发现中起着关键作用,光量子噪声是干涉仪灵敏度进一步提高的主要障碍。详细分析了光量子噪声中霰弹噪声和辐射压力噪声产生的机制和主要特点,讨论了标准量子极限,扼要介绍了信号循环、压缩光场等标准量子极限突破技术。

量子噪声对Michelson干涉仪测量精度的限制

本文分析了量子噪声对Michelson 干涉仪测量精确度的影响, 从量子理论出发计算了干涉仪测量精确度的标准量子限制,

量子态和量子测量态的特性与应用

量子信息技术是基础性创新,是信息技术发展的颠覆性前沿。面向量子信息技术应用,研究工作阐述了量子态的离散性、随机性、叠加性、纠缠性等四个关键特性,提出了量子测量态的离散性、概率性、多样性、关联性等四个对应特征,描述了这些特性在当前以及未来量子信息系统中的应用场景和目标,并按照这些特性的应用程度给出了量子信息系统代际划分。研究工作通过分析量子态和量子测量态的特性,在量子信息科学与量子信息工程应用之间架起了一座桥梁,对量子信息技术在信息感知、信息存储、信息处理、信息传递、信息应用等信息过程中的创新应用具有重要意义。

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.

中国科技大学在高精度量子相位测量领域实现技术突破

不久前，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士领导的量子光学小组实现了高精度的量子相位测量，冲破了“标准量子极限”，并十分接近于量子力学的理论极限——海森堡极限。

精密测量中的量子极限

给定一个物理装置,对于一个物理可观察量能够得到的测量精度是什么?为了回答这一问题,本文以最近量子精密测量的发展为主线,量子参数估值方法为核心,介绍单粒子(线性耦合)体系和多粒子(非线性耦合)体系物理量测量精度的量子限制.作为例子,对光学量子精密测量中如何突破标准量子极限,甚至海森堡极限做了简明阐述.特别总结了非线性精密测量在突破海森堡极限方面的最新进展.最后,探讨了量子精密测量未来发展的可能趋势.

压缩态光场在激光干涉仪引力波探测器中的应用

激光干涉仪在引力波发现中起着关键作用,标准量子极限是干涉仪灵敏度进一步提高的主要障碍,压缩态光场注入是超越标准量子极限的重要手段。分析了压缩态光场的主要特点,讨论了压缩态光场的产生机制,介绍了压缩态光场技术在超越标准量子极限中的应用。

LD泵浦Nd: YAG激光器的强度噪声特性研究

本文在理论上研究了ＬＤ泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器的强度噪声特性，用传递函数的形式给出各种噪声源对激光器强度噪声的影响，计算结果指出Ｎｄ：ＹＡＧ激光器输出的激光并非相干态光场，在几兆频率上存在高于散粒噪声基准几十ｄＢ的驰豫振荡噪声，在小于驰豫振荡频率范围，激光器的强度噪声基本上处于泵浦噪声水平。

原子自旋压缩在量子精密测量中的应用研究进展

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用,减小原子自旋分量的不确定度,使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限,有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。阐述了原子自旋压缩的原理和内涵,分析了在中性原子系综内通过光与原子相互作用产生自旋压缩的方法,介绍了原子自旋压缩在量子精密测量领域的研究进展和取得的主要成果,并总结展望了其未来发展的方向。

以纠缠双光子多次穿过提高测量精度

文章研究了基于多次穿过相移器的双光束干涉仪,使用纠缠双光子进行相位测量。结果表明,能大幅度地提高测量精度,可打破标准量子极限。

非线性光机械系统中的弱力探测

从理论上研究了包含光学参量放大器的非线性腔光机械系统的弱力探测性能.一方面,发现通过调节光学参量放大器的非线性增益以及输入光场与腔场之间的有效失谐,可以减小压缩正交中约14 dB的量子噪声,从而将弱力探测灵敏度提高2倍以上.另一方面,分析了非线性腔结合零差测量产生的反作用噪声相消现象并且实现量子非破坏测量的方法.

QPSK信号量子增强接收的混合测量方案研究

量子增强接收技术具有比传统的相干探测技术更高的测量性能极限,在相干光通信领域能够为非正交量子态的识别提供更低的误符号率,提升相干光通信系统的性能。然而,目前QPSK信号的量子增强接收自适应反馈方案仍然面临方案过于复杂或性能难以突破标准量子极限的问题。本文联合经典零差测量和量子测量设计了混合测量方案,并基于报道的实验数据优化方案参数,最后通过蒙特卡罗仿真和数值模拟,计算混合测量方案在实验参数环境下的性能。该方案通过零差测量实现QPSK四态识别到二态识别问题的转换,并通过二元量子测量实现最终判决。仿真结果说明:对于平均光子数小于2的微弱相干光信号,混合测量方案具有在实际条件下突破标准量子极限的能力,在平均光子数为2时,误符号率相比标准量子极限降低了10%。本研究为QPSK微弱信号的量子增强接收提供了一种结构简单、性能能够突破标准量子极限的方案,为量子增强接收技术在星地相干光等长距离通信系统的应用提供了参考。

基于光学参量放大器的量子干涉仪的分析

高精度光学干涉仪是实现精密测量的重要工具之一,干涉仪的最终灵敏度受限于真空起伏决定的标准量子极限(SQL)。利用量子资源可以实现突破SQL的相位测量。在基于光学参量放大器(OPA)的量子干涉仪中,将干涉仪两臂中OPA产生的相位压缩态直接作为相敏量子态,通过同时降低散粒噪声和放大相敏场强可以使其灵敏度无条件地突破SQL。然而,量子态对损耗是非常敏感的。通过分析量子干涉仪的各种损耗对其灵敏度的影响,得出了量子干涉仪灵敏度与各种损耗的依赖关系。同时,通过分析灵敏度与分析频率等其他物理参量的关系,得出了进一步优化系统灵敏度、带宽等性能的实验参数。