基于光子数可分辨探测的量子高精密相位测量的理论和实验研究

Quantum high-precision phase measurement can beat the standard quantum limit and reach the Heisenberg limit, and thus has aroused a great interest. In many interferometer setups, since the traditional intensity measurement cannot get enough phase information from the phase-sensing light, the standard quantum limit cannot be beaten. However, photon-number-resolving based measurement can obtain more phase information, so the standard quantum limit can be beaten and the Heisenberg limit can be achieved, and moreover, the phase sensitivity does not depend on the unknown phase. This feature, in contrast to the phase-dependent sensitivity when using intensity measurement, has a great advantage and is of practical importance. This project is to make research on the high-precision phase measurement based on photon-number-resolving detection, which can beat the standard quantum limit and approach the Heisenberg limit, by designing new interferometers with the interference of classical and nonclassical lights, optimizing the initial quantum states and measurement operators. This project is to propose several schemes and further develop the phase estimation theory. Some schemes will be realized in experiment. We will also investigate the affection of photon loss and noise on the measurement operators and sensitivity, and design some schemes robust to photon loss and noise.

量子高精密相位测量可以突破经典物理允许的标准量子极限，并达到海森堡极限，是目前研究的热点。在很多的干涉装置中，传统光强探测方法由于不能从相位探测光得到足够的相位信息，因此不能突破标准量子极限，而光子数可分辨探测方法能够获得更全面的相位信息，因此可以突破标准量子极限，并逼近海森堡极限，而且这种测量方法得到的测量精度不依赖于未知相位的变化，与光强探测只能在特殊相位才能获得最优测量精度相比，有很大的优势和实际意义。本项目拟研究基于光子数可分辨探测的量子高精密相位测量，利用经典光与非经典光的干涉设计新型干涉仪，通过优化输入态和测量算符的选择，实现突破标准量子极限并逼近海森堡极限的相位测量；将在理论上设计一系列方案，进一步完善最优化相位估计理论，并在实验上实现部分方案；还将分析光子损耗、噪声对测量算符和测量精度的影响，设计对光子损耗、噪声容忍度大的相位测量方案。

本项目围绕量子高精密相位测量展开，主要研究用于高精密相位测量的纠缠态的产生、干涉仪的搭建、测量基的构成等几个方面，主要取得了以下研究进展：（1）高维纠缠和超纠缠比普通的纠缠在量子光学技术中有更丰富的应用，可以提高信号容量和容错能力，提高相位测量精度。我们实验上利用双光子频率梳制备了高维纠缠，首次在实验上验证了高维时间能量纠缠的制备和操控。我们观察到了19个周期震荡的Hong-Ou-Mandel干涉包络，可见度达到96.5%。我们进一步通过Franson干涉验证高维时间能量纠缠，可见度最高处可以达到97.8%。我们还制备了偏振-时间能量高维超纠缠，观察到了高维超纠缠违背了Bell不等式10.95个标准偏差，S值达到2.76。利用这样的高维纠缠态，我们设计了多变量相位估计方案，可以进一步提高测量精度和噪声容忍度。（2）光量子控制非门是光量子信息处理的重要器件，在高精密相位测量中也发挥这重要作用，可以用于相位传感器。我们利用介质和等离子体波导实验上实现了14×14平方微米的偏振自由度的量子控制非门，大大减小了光量子器件的尺寸。（3）我们通过搭建稳定的马赫-曾德尔型干涉仪实现了两端口输入输出的偏振不依赖的分束比可调谐的光学分束器。我们借助这样的分束器可以实现噪声不等臂情况下的相位测量。（4）多路径纠缠态在高精密相位测量中可以发挥独特的优势，我们设计了一种光学超晶格结构可以实现三路径纠缠Dicke态，通过多重相位匹配，该纠缠源只需要一块光学超晶格实现。（5）我们分析了级联参量下转换产生三光子态的频率关联。通过计算发现，选择合适的泵浦光带宽和晶体长度，我们可以实现三光子态的频率完全解关联、部分关联和完全关联。我们的分析有助于进一步设计多光子态及其在量子光学技术如量子高精度相位测量中的应用。