量子高精密测量实验研究

利用量子力学的方法，科学家们已经将测量的精度提高到可以突破经典物理极限- - 标准量子极限。本项目主要研究利用量子力学和量子光学的方法测量任意微小位移（光学相位）和任意微小空间角度转动，使测量精度突破标准量子极限。分析比较各种纠缠形式在高精密测量中的优劣性；完成不同类型多光子纠缠态的实验制备。利用多光子干涉技术和相应的测量手段对任意相位及其变化的进行精确测量，并突破标准量子极限。研究在有光子损耗情况下保证和提高测量的精度，提出合适的实验方案并在实验上证明即使有光子损耗以可以利用合适的纠缠态完成精度超越经典物理极限的精确测量。利用量子反馈控制理论以及自适应测量理论最优化利用不同光子数的纠缠态，进一步提高测量精度。研究设计不同全息结构并用以此制备和探测不同轨道角动量纠缠态；利用轨道角动量的特性完成以突破经典物理极限的精度对空间任意微小角度转动精确测量。

量子计量是近几年随着量子信息技术的发展而兴起来的一个新的研究领域。量子计量研究的目标是超越经典方法测量限制（如散粒噪声极限，瑞丽衍射极限等），进一步提高精度。而这些都离不开量子态-尤其是量子纠缠态-的精确制备和测量。在本项目当中，我们首先证明了Holland-Burnett态在测量利用单条干涉曲线时是最优，并且完成了六光子实验验证，其中六光子干涉可见度是目前公开报道的最高的；基于线性回归模型，我们提出了一种新的量子态层析方法，并证明了我们原则上可以预言最优的测量基，并且数据处理的复杂度比传统方法大大降低；弱信号可以通过放大实现测量，我们提出并利用一种无噪声线性放大器实现一个偏振量子比特的无噪声放大；量子态测量精度极限在哪里一直没有相关的实验验证，我们考虑到完备性原理与不同力学量间的信息平衡对量子态测量精度的影响，提出了两步测量的策略，使得测量精度在各种衡量指标下都能达到理论极限；利用在线自适应测量和反馈控制方法实现了与拷贝数N成反比的量子态测量精度；提出了利用局域过滤的方法，在不需要进行整个态量子态层析是我们就可以判断出不同四体纠缠态所在的多面体，从而区分不同类型的纠缠态。本项目的工作拓展了人们对计量学的认识，并且必将完成必将推动我国在量子计量学领域的进一步发展。