基于新型弱测量方法的高精度磁场和温度量子传感器

Optical system is an important part in modern information science. It can be encoded and transported with light velocity, moreover, it can also be used as a "meter" for high precision metrology. Weak measurement is relatively new quantum metrology which is different from classical strong measurement, and it has the ability to amplify ultra-weak interaction. Current techniques for optical operation and detection are very adequate for implementing weak measurement proposals. In the past decade, both transverse and longitudinal shift of laser beam can be precisely detected with standard weak measurement technique . In this project, we plan to fabricate high precision temperature and magnetic field quantum sensors with the biased weak measurement method, which is proposed by the project team(Physical Review A 94, 053843 (2016)). Compared to standard weak measurement, this biased proposal can improve the precision by two orders of magnitude. Moreover, we will experimentally demonstrate the advantage of biased weak measurement when facing the problem of detector saturation.

光学系统是现代信息学中重要的物理体系，光子不仅可以用来进行信息编码和传送，还可以用来作为实现高精密测量的“尺子”。量子弱测量是量子力学理论框架下一种不同于标准冯诺依曼测量的方法，它具有对微弱信号的放大能力。由于针对光子的操作和测量技术已经相当成熟，过去几年中已经用弱测量方法实现了对光子横向位移和纵向相位差的高精密测量。本项目的研究将致力于对标准弱测量方法进行改进，进一步提高弱测量的探测能力，并将新方法应用于学术界普遍关心的常见物理量测量。具体计划包括利用项目组自己提出的新型偏置型弱测量方法(Physical Review A 94, 053843 (2016))，设计并制备高精度的温度和磁场量子传感器。相比较传统标准弱测量方法，这种新型方法的灵敏度可以提高两个数量级以上。同时，项目组还将考虑实际测量任务中探测器饱和问题对不同测量方法的影响，实验演示偏置型弱测量方法在实际测量任务中的优势。

弱测量是从量子力学理论发展出来的，一种可以对微弱信号进行放大的测量方法。尤其是基于光学系统的弱测量已经获得了一系列重要的成果，光的纵向相位和横向移动都 被证明可以通过弱测量方法得到有效放大。从这个角度出发，把光的横向和纵向自由度和基本物理量进行耦合，就可以对基本物理量进行精密测量。本项目主要研究利用光的纵向相位和磁场耦合，进行弱磁场的探测。利用弱测量方法，我们发现不仅可以得到信号的有效放大，还可以抑制光电探测器的饱和效应，从而将弱磁场的探测灵敏度提升一个数量级以上。此外，我们还发展对可用量子精密测量的纠缠资源进行了快速的检验方法，使得检验效率获得了指数级别的提升。这些方法一方面证明了量子方法在精密测量领域的有效性，同时可以让量子精密测量方法更快的走向实用化。