基于光场的非经典效应和非线性效应的参量估算

Parameter estimation is an important part of metrology. Metrology has important applications in science, technology, and engineering. Quantum metrology is the combination of quantum science and classical metrology. It improves the precision and sensitivity of measurement and estimation of parameters. Generally speaking, the process of parameter estimation, that based on optical systems, can be divided into three steps: (1) The choice of the input states of light; (2) The transformation of the optical elements in the experimental setup on the states of light, and the uploading of the information of the parameters to be estimated; (3) The measurements to the output sates of light that carries the information of these parameters, and the estimation of these parameters.This project will study the parameter estimation based on the non-classical and non-linear effects of light fields. In step (1) we will consider to input light in some non-classical states (including squeezed states, entangled states, and the states that possess sub-Poissonian photon distribution and anti-bunching features). In step (2) we will study the linear and non-linear transformations of the beam splitters, the phase shifters, the optical parameter amplifiers, and the four-wave mixers on the states of light. We also study the uploading process of the information to be estimated upon the light states. In step (3) we will analyze and compare several measurement schemes to the output states of light, including the photon-number detection, the parity detection, the homodyne detection, and so on. The aim of this project is to find some optimal schemes for the parameter estimation.

参量估算是计量学的重要研究内容，计量学广泛地应用于科学、技术、工程的各个领域。量子计量学是量子科学与经典计量学相结合的产物，它利用量子效应来提高参量估算的精确度和灵敏度等。一般来说，基于光学系统的参量估算过程包括三个阶段：（1）输入光场的初态选取；（2）实验系统中各光学元件对光场的变换及待测参量信息的加载；（3）对携带有待测参量信息的输出光场进行测量，并根据测量结果对待测参量信息进行估算。本项目拟研究基于光场的非经典效应和非线性效应的参量估算问题。在上述阶段（1），将考虑输入具有各种非经典性质（压缩态、纠缠态、亚泊松光子数分布、光子反聚束效应等）的光场；在阶段（2），将研究光学分束器、相移器、光学参量放大器、四波混频器等对输入光场的各种线性和非线性变换以及待测相位等信息的加载；在阶段（3），将分析比较对输出光场的各种探测方法（宇称探测、零差探测等）。项目的目的是找到一些最优的参量估算方案。

近年来，量子计量学（或量子精密测量）和量子参量估算因其重要的学术价值和潜在的应用前景引起了广泛关注，得到了深入研究。本项目就是在这种背景下立项的。.本项目主要研究了基于光场的非经典效应和非线性效应的参量估算问题。一般来说，基于光学系统的参量估算过程包括三个阶段：（1）输入光场的初态选取；（2）系统和探针的相互作用及待测参量信息的加载；（3）对携带有待测参量信息的输出光场进行测量，并根据测量结果对待测参量信息进行估算。对应于上述阶段（1），我们研究了输入光场处于若干种非经典初态的情况，如：相干态及其相干叠加态（偶、奇相干态）、压缩态（压缩真空态、压缩相干态）、加光子相干态、加光子压缩态、纠缠态、GHZ态等；对应于上述阶段（2），我们研究了系统和探针之间的交叉科尔非线性相互作用、光学参量放大非线性相互作用等；对应于上述阶段（3），我们分析比较了对输出光场的各种探测方法，如宇称探测、零差探测、强度探测等。这些研究工作及其结果对基于光学系统的量子参量估算问题具有重要的参考价值。.另外，我们前一个国家自然科学基金项目为 “腔量子电动力学与腔光力学的融合”（No. 11574092, 2016.1-2019.12）。在本结题项目执行期间，我们继续开展了前一个项目的研究工作。特别是，我们探索了利用腔量子电动力学和腔光力学系统进行参量估算的问题。例如，我们提出了一种利用杂化光力系统估算弱库仑力的方案，利用该方案可以估算极弱的库仑力。这方面的研究工作扩展了可用于参量估算问题的物理系统。.弱测量和弱值放大技术近年来受到了人们的重视。我们探索了利用弱测量和弱值放大技术进行参量估算的问题。这方面的研究扩展了可用于参量估算问题的方法和技术。.在本项目执行期间，项目负责人发表期刊论文28篇，其中作为通信作者的论文26篇；培养博士研究生3名，硕士研究生14名。