基于非线性干涉仪和连续变量非高斯量子态实现量子精密测量的优化

To improve the precision measurement can test physical theory, and promote the development of the theory and technology, but it is still challenging about how to realize the improvement. Nonlinear Mach-Zehnder (MZ) interferometers and non-Gaussian operations have paid much attention due to their special merits and performances. This project will construct some kinds of MZ-like nonlinear interferometers, and prepare many non-Gaussian quantum states with adjustable parameters for continuous variables by using beam-splitter, PDC and optomechaincal system, so that we can realize the improvement of quantum precision measurement. We will build the theory of phase space for quantum measurement using the technique of integration within operators’ product (IWOP) and investigate the non-classical properties and entanglement in the different stages within the interferometer to explore the physical essence for improving precision. In addition, we shall develop the preparation of quantum state, control, test and numerical estimation algorithm and analyze the reasons for the differences of measure precision resulted from traditional and non-traditional MZ interferometers. At the same time, under the realistic experimental condition and environment, we shall combine Gaussian and non-Gaussian operations to improve quantum measurement and to obtain the optimal non-Gaussian states, non-Gaussian operations, structure of nonlinear interferometers and special schemes of measurement. Our investigation will be extended to discuss multi-mode interference. This project will promote many robust models for improving quantum measurement precision and provide the theoretical fundament and reference for the experiment design.

提高测量精度能验证物理理论，推动理论与技术的发展，但实现高精度测量仍是一个挑战。非线性MZ干涉仪的高信噪比和非高斯量子操作能改善纠缠等广受关注。本项目拟在传统MZ干涉仪基础上构造高精度新型类MZ非线性干涉仪，并结合光束分离器、参量下转换及光机系统的非线性特征提出若干参数可调的连续变量非高斯量子态的制备方案，以提高量子测量精度；基于有序算符内的积分技术建立量子测量的相空间方法，研究干涉仪中不同阶段量子态的纠缠等非经典性，探索影响测量精度的物理机制；分析传统与非线性干涉仪中精度差异的成因。同时，在实际条件与环境下，结合高斯与非高斯操作实现精度的改善，获得环境下有效地提高精度的优化非高斯态、非高斯操作、非线性干涉仪结构及实际测量方案。项目研究将推广到多模干涉情况。项目的实施将提出系列非高斯量子态和非线性干涉仪的理论模型，既能改善量子测量精度，又能调控环境影响，为高精度实验设计提供理论指导与参考。

度量学是研究测量以及测量误差的一门综合性学科，测量精度的提高不仅可以用来验证已有的物理学理论，而且可以推动新的理论和技术的发展。受到散粒噪声等物理学本身特性的限制，经典度量学只能达到标准量子极限。然而，为了达到更高的测量精度或者说突破标准量子极限，则需要人们另辟蹊径地采用非传统方法。利用量子特征的度量方式由此而诞生，它不但可以突破标准量子极限，而且能达到甚至超过海森堡极限。注意到非高斯操作，如光子增加、扣除、催化等能够用于改善量子态的非经典性以及纠缠态的纠缠度等特点，本项目提出结合光分束器等线性和参量转换等非线性过程制备若干可调参数的连续变量非高斯量子态，并将其应用于线性器件或非线性器件组成的若干干涉仪中，以期进一步提高干涉仪的量子测量精度。主要研究内容有：利用线性和非线性物理过程，制备若干参数可调的连续变量非高斯量子态；基于传统MZ干涉仪的构型，构造若干新的类MZ非线性干涉仪；基于有序算符内的积分技术建立量子测量的相空间方法。在现有实验技术水平和实际环境下，结合高斯与非高斯操作实现测量精度的改善，获得在环境下能更有效地提高测量精度的优化非高斯态、非高斯操作、非线性干涉仪结构以及实际测量方案。如：提出了基于量子催化操作在传统MZ干涉仪中提高位相测量精度并考虑光子损耗对相位灵敏度的影响，建立了非经典性(Wigner负部体积)与费舍信息之间的联系；将非线性位相引入由光分束器与参量转换器构成的干涉仪中，发现非线性相移器的引入不仅可以提高相位灵敏度和费舍信息，而且可以抑制光子损耗；理论上提出了多模非线性干涉仪及两个位相估计方案等。本项目提出了一些非高斯量子态和非线性干涉仪的理论模型，既能改善量子测量精度，又能抵抗环境的影响，为高精度实验设计提供理论指导与参考，为非经典量子态特别是高纠缠态的制备提供了理论方案，也为量子信息相关研究提供了若干新的纠缠源。