基于多次穿过超稳干涉仪进一步提高相位测量精度的研究

Precision measurements are important to all fields of science, and it is the foundations of all quantitative science. In particular, optical phase measurements can be used for a wide range of physical quantities such as distance, position, displacement, acceleration and optical path length, and for many other applications. High precision optical phase measurements have many important applications, including microscopy, gravity-wave detection, measurements of material properties, and medical and biological sensing. In this project, we will design a super-stable optical interferometer with multiple passes, and show that we use single photon, entangled photons and distinguishable photons to estimate an unknown phase, and improve our scheme to reach considerable high precision and to beat Standard Quantum Limit, and to approach Heisenberg Limit. In the concrete, we are going to devise a super-stable optical interferometer of multi-pass through a phase shift with the optical path lengths to be sub-wavelength (nm) stable. By our super-stable optical interferometer, we use single-photon, entangled-photons and distinguishable photons to measure optical phase, respectively. By using single photon to estimate an unknown phase, our scheme enables considerable high precision and it can beat Standard Quantum Limit and approach Heisenberg Limit. We will provide a new scheme and open the way for high-precision measurement applications on the super-stable optical interferometer.

测量是所有定量科学的基础，精确测量是至关重要的。利用光学相位测量可获得许多重要的物理量，如距离、位置、位移、加速度和光程等。高精度相位测量有许多重要的应用，包括显微镜方法、引力波探测、材料性质的测定以及医学和生物学的反射测量等。结合各种干涉仪的优点，设计多次穿过的超稳干涉仪，采用宇称测量等测量方法，研究使用单光子、纠缠光子和时间上可区分的光子，以及相干光来测量相位，寻求进一步提高相位测量精度的方案，力图打破标准量子极限，争取逼近海森堡极限。如何高精度测量相位至今仍是一个科研难题之一。通过理论研究，计算模拟以及实验分析相结合的方法摸索出切实可行的方案，设计出多次穿过的超稳干涉仪，为高精度的相位测量提供理论依据及技术参考，特别是为打破标准量子极限和逼近海森堡极限的相位测量提供方法和新的途径。

1、项目的背景.测量是所有定量科学的基础，精确测量是至关重要的。利用高精度的测量方法，物理学家可以发现新的物理现象、发展新的物理理论。然而，物理量的测量精度受海森堡不确定性原理的限制。已有实验实现了测量精度打破标准量子极限。但是，由于固有损耗的存在，其测量精度无法逼近海森堡极限，甚至随光子数的增加而变得更差。如何提高物理量的测量精度已经成为物理学家的重要研究课题。.2、主要研究内容.结合各种干涉仪的优点，设计多次穿过的超稳干涉仪，研究使用单光子、纠缠光子和时间上可区分的光子，以及相干光来测量相位，寻求进一步提高相位测量精度的方案，力图打破标准量子极限，争取逼近海森堡极限。.3、重要结果.基于多次穿过相移器的超稳干涉仪，利用单光子、双光子和多光子的超辐射的高精度位移测量。研究了集体单光子、双光子以及多光子亚辐射态潜在的稳定可抵御/阻止集体自发发射，并可快速的读出信息。根据多次穿过相移器的超稳干涉仪，完成了基于集成光学等方法设计多次穿过相移器的超稳干涉仪。结果表明，基于多次穿过超稳干涉仪进行相位测量可提高相位测量精度，在一定条件下，可逼近海森堡极限。.4、关键数据.（1）基于线性光学或集成光学等方法设计了多次穿过相移器的超稳干涉仪。.（2）采用单光子、多纠缠光子和可区分的光子测量相位，基于多次（q次）穿过的方法，研究表明，可提高对应的测量精度q倍。.（3）基于多次（q次）穿过相移器的超稳干涉仪，通过将多个光动量变换到三能级原子系综，提出了限超辐射高精度的位移测量方案。结果表明，其测量精度可高达q倍。.5、科学意义.通过理论研究，计算模拟以及实验分析相结合的方法摸索高精度测量相位的可行方案，设计出多次穿过的超稳干涉仪，为高精度的相位测量提供理论依据及技术参考，特别是为打破标准量子极限和逼近海森堡极限的相位测量提供方法和新的途径。