基于原子系综的低噪声量子精密测量

Measurement is the core of physics. To improve the resolution of measurement is always the pursuit of the physicist. Quantum precision measurement is the subject in which physicist improve the measurement resolution using the fundamental role of quantum mechanics. Optical interferometer is the important tool for precision measurement. To construct novel optical interferometer with better sensitivity is always the great concern in modern physicsbecause its development always moves physics forward. We have experimentally demonstrated a nonlinear photon correlation interferometer which has an about 4dB signal to noise ratio enhancement compared to the traditional interferometer. Some factors restricting its further sensitivity improvement include the internal absorption loss, excess noise. Thus in this proposed project, we will comprehensively investigate all aspects of the interferometer including the seeding quantum states, manipulation of the quantum states, and the detection part, and try to find the solutions for overcoming the imperfection of the current nonlinear interferometer. Finally, we will construct a novel quantum correlation interferometer with super sensitivity by combining together the mechanism of quantum state seeding, manipulation and detection.

测量是物理学的核心，不断提高测量的精度一直是物理学家的追求，量子精密测量就是要利用量子力学的基本规律寻求更精密的测量手段。光学干涉仪是实现精密测量的有利工具，其发展不断推动着物理学的前进，因此发展高灵敏度的新型光学干涉仪一直备受关注。我们前期实验上研究了非线性光子关联干涉仪，演示了其信噪比较传统的干涉仪有约4dB的量子增强，这一干涉仪目前还有诸如内部损耗、过剩噪声等制约因素的限制，因此在本项目的支持下，我们将利用我们在量子光源的产生、非线性干涉仪实现、冷原子介质产生等方面的实验研究基础，从干涉仪的各个环节入手，主要包括注入量子态的构造、量子态的操作以及干涉仪的探测部分，对干涉仪进行全面详细的理论分析和实验研究，寻找到克服目前干涉仪不理想因素的方法，最终实现量子态构造、量子态高效高保真操控以及新型量子探测技术协同作用下的超高灵敏度的新型量子关联干涉仪。

本项目围绕非线性干涉仪的实际应用及新物理机制两个大的方面展开，从干涉仪的各个部分着手，如光学分束器和光学合束器等硬件结构本身、干涉仪的探测等，详细深入地对非线性干涉仪的实际应用及新物理机制进行了理论和实验研究，取得了一系列重要研究成果，主要包括：通过利用直接强度探测的方案，实验实现了明亮注入型非线性干涉仪相位灵敏度较标准量子极限的突破，这种直接强度探测的方案使得可以在实验上实现实时的量子增强，这一新的实验结果可能在量子精密测量中有潜在的应用价值；研究了非线性干涉仪运转于干涉条纹极大处时，连续级联放大所带来的系统量子特性的增强机制，实验上观察到了两光束之间量子纠缠度较单个四波混频的量子增强，这一研究成果对于扩展非线性干涉仪的实际应用具有重要的意义；提出了一种量子Sagnac干涉仪，并且理论上证明这种干涉仪的角速度灵敏度可以突破传统的Sagnac干涉仪，为下一步实验实现量子Sagnac干涉仪奠定了理论基础；利用光学分束器作为线性反馈控制器，建立了基于线性反馈机制的相敏四波混频光学参量放大器的理论模型，并且实验研究了反馈控制对系统量子特性的调控机理，尤其发现系统存在一个最优化的反馈系数，使得系统的量子关联达到最大，这一结果为利用线性光学手段最优化非线性干涉仪中量子关联寻找到了一种有效途径；在实验上研究了损耗对非线性干涉仪性能的影响，研究表明干涉仪不同臂上的损耗对干涉仪输出噪声的影响也不一样，在某些特殊情况下，输出光束量子噪声相消水平几乎不依赖于系统内部损耗，这些发现对于非线性干涉仪的实际应用以及量子系统的噪声控制有重要意义。 .项目组共发表SCI论文36篇，其中包括Physical Review Applied 1篇， Physical Review Letters 3篇，Applied Physics Letters 7篇，Physical Review A 8篇，Optics Letters 3篇，Optics Express 4篇。项目执行期间共指导博士研究生十五名（其中六名已经毕业），硕士研究生十二名（五名已经毕业）。培养的研究生七人次获得研究生国家奖学金、一人次获得王大珩高校学生光学奖，两人次获得上海市优秀毕业生。