基于Z探测方法提高光束微旋转角度测量分辨率

High-resolution angular rotation measurement has attracted great attentions in many areas, for example, nondestructive testing, biological food engineering, navigation detection. Classical measurement method can't effectively improve the resolution of angular rotation measurement. In recent years, the use of quantum methods to improve the resolution of angular rotation measurement has become a research focus. This project will adopt a kind of quantum measurement method—Z detection method into the angular rotation measurement, in order to further improve the resolution of angular rotation measurement. First, the theoretical model of angular rotation measurement scheme based on Z detection method will be established. And the theoretical model will be used to research the mechanism of resolution improvement of angular rotation measurement. Then, the effects of phase noise on the angular rotation measurement resolution will be analyzed, which revealing the mechanism and change rule of angular rotation measurement resolution degradation caused by phase noise. Finally, the effects of photon loss on angular rotation measurement performance, such as sensitivity and signal visibility, will be discussed.

高分辨率的光束微旋转角度测量在无损检测、生物与食品工程、导航与探测等领域中都具有重要的意义。经典测量方法无法进一步有效的提高光束微旋转角度测量分辨率，近年来，利用量子手段提高光束微旋转角度测量分辨率成为了研究热点。本项目提出将一种量子测量方法——Z探测方法应用到光束微旋转角度测量中，进一步提高光束微旋转角度的测量分辨率。本项目首先建立基于Z探测方法的光束微旋转角度量子测量方案的理论模型，研究Z探测方法提高光束微旋转角度测量分辨率的机理；然后分析相位噪声对光束微旋转角度测量分辨率的影响，揭示相位噪声使分辨率退化的原因和规律；最后开展损耗对光束微旋转角度量子测量方案灵敏度、信号可见度等性能指标影响的研究。

高分辨率的光束微旋转角度测量在无损检测、生物与食品工程、导航与探测等领域中都具有重要的意义。在项目的资助下，我们在三个方面取得了一系列研究成果：.1. 完成了基于Z探测方法的光束微旋转角度量子测量方案的整体设计，建立并分析了基于Z探测方法光束微旋转角度量子测量理论模型，揭示了基于Z探测方法的光束微旋转角度量子测量方案提高分辨率的根本机理：量子Z探测方法的输出信号是e指数的形式，它变化更剧烈，因此信号峰更窄，从而实现分辨率的提高，超越经典探测方法。.2. 采用Lindblad型主方程描述相位噪声完成了相位噪声对光束微旋转角度测量分辨率影响的研究，揭示了相位噪声是通过导致入射态相干性变差、从而导致干涉条纹可见度降低、最终使光束旋转角度探测分辨率退化的过程机理。此外在研究内容计划外超额完成了退偏振噪声对光束微旋转角度测量分辨率的影响，退偏振噪声与整体相位噪声对干涉可见度的影响不同，可见度随退偏振强度呈e指数衰减，稍有退偏振，检偏可见度就会迅速变差。.3．采用虚拟分束器方法研究了光子损耗对光束微旋转角度测量分辨率的影响，理论和仿真结果表明光子损耗仅会引起总输入光子数的减少，也就是输出信号强度（平均光子数）整体的下降，可见度不受影响，只是信号光子数从N减少到NT（其中T为透射率），因此光子损耗的影响小于相位噪声的影响。此外我们搭建了基于Z探测方法的光束微旋转角度测量实验系统，实验结果与理论仿真分析一致，实验验证了基于Z探测方法能够实现光束微旋转角度测量分辨率的提高。.项目实施期间，以第一作者或通信作者发表论文13篇，其中在高水平期刊Physical Review A、Optics Express等发表SCI论文10篇，EI文章1篇，北大核心教学改革量子技术科普文章2篇。申请发明专利9项，目前授权7项。超额完成了研究计划和预期成果目标。