超越标准量子极限的多参数联合测量

Joint measurement of two non-commuting observable with precision higher than the standard quantum limit (SQL) can be realized by using Einstein-Podolsk-Rosen (EPR) states. We propose to generate continuous variable EPR states for precision measurement by using two kinds of physics systems. One is cold atoms, the other is optical parametric amplifiers. Then we study the quantum enhanced joint measurement by using SU(1,1) nonlinear interferometer in the two systems, respectively. The innovations of our proposal are the following. First, in the area of quantum enhanced precision measurement, most previous study is committed to improving the measurement precision of one parameter, whereas we focus on studying the joint measurement of non-commuting multi-parameters. We will investigate how to fully use the quantum resource to achieve the best quantum enhancement in the multi-parameters measurement. Second, we investigate the joint measurement of two non-commuting observable using the atomic interferometer, which has not been demonstrated yet. Third, all the quantum enhanced measurements using SU(1,1) interferometer formed by two optical parametric amplifiers are proof-in-principle demonstration, but we propose to show the quantum improvement in the joint measurement of a real sample. Fourth, we will investigate and compare the SU (1,1) interferometers which are based on the cold atomic system and optical system, respectively. The results will reveal the applicability of each physical system, which is benificial for further exploring its practical applications.

利用量子纠缠可使两个非对易物理量的测量精度同时超越标准量子极限(SQL)。本项目采用超冷原子和光学参量放大器两种典型物理系统，在制备连续变量原子玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)和光场量子纠缠态的基础上，采用SU(1,1)非线性干涉仪，同时测量多个非对易物理量、且每个物理量的测量精度均超越SQL。项目的创新性如下: 1)在超越SQL的测量中，大多数研究集中在如何精确地测量单一物理量，本项目重点研究多个非对易物理量的测量，揭示如何在量子增强的联合测量中，优化量子资源的配置；2)以往在原子干涉仪中只测量一个参数，本项目拟利用BEC中的纠缠原子实现两个参数同时测量；3)多参数量子增强测量的研究目前尚无对实际样品进行测量的报道，本项目拟利用非线性光学干涉仪在实际样品的多参数检测中实现量子增强；4)本项目分别采用冷原子和光学参量放大器两种系统，为进一步研究如何在不同应用领域选择适当的物理系统提供依据。

在超越标准量子极限测量的研究方面，目前大多数研究集中在如何精确地测量单一物理量。SU(1,1)非线性干涉仪可用于实现量子增强的多参数联合测量。本项目采用超冷原子和光学参量放大器两种典型物理系统研究SU(1,1)非线性干涉仪，在制备高质量连续变量量子纠缠态的基础上，同时测量多个物理量、且物理量联合测量的精度超越经典极限，取得了如下主要成果：..(1).研究了多参数量子测量的基本原理。一方面研究了多参数测量中最优的探测态和对应的量子Cramér­Rao极限，以利用非纠缠粒子的多模干涉仪为例，给出了可以饱和量子Cramér­Rao极限的测量方案；另一方面，依据Fisher信息理论分析并计算了高斯量子态用于非对易物理量测量的极限问题，揭示了量子资源分配原则，为设计最优测量方案提供了依据。..(2).在铷原子BEC中，实现了利用原子自旋混合动力学过程获得的 SU(1,1)干涉仪，演示了突破标准量子极限的测量。..(3).提出了利用调控脉冲制备自旋压缩态和实现非线性原子干涉仪的新方法。..(4).理论分析并实验演示了一种测量连续变量纠缠态的新方法，测得的光纤参量放大器输出纠缠态为迄今为止光纤系统中的最佳指标。在此基础上，利用基于光纤参量放大器的SU(1,1)干涉仪演示了振幅和位相分量可同时精度超越标准量子极限的测量。..（5）研究了脉冲光泵浦SU(1,1)干涉仪两臂因引入样品而光程不平衡的理论模型，发现了采用平衡零拍探测恢复由光子可区分而消失的量子干涉新机制。..本项目的研究成果不仅有助于加深量子干涉和量子测量物理本质的理解，而且对电磁场精密测量、量子成像和量子传感等量子技术具有重要意义。