基於原子系綜的低噪聲量子精密測量

《基於原子系綜的低噪聲量子精密測量》是依託華東師範大學，由荊傑泰擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：基於原子系綜的低噪聲量子精密測量
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：荊傑泰
• 依託單位：華東師範大學

項目摘要

測量是物理學的核心，不斷提高測量的精度一直是物理學家的追求，量子精密測量就是要利用量子力學的基本規律尋求更精密的測量手段。光學干涉儀是實現精密測量的有利工具，其發展不斷推動著物理學的前進，因此發展高靈敏度的新型光學干涉儀一直備受關注。我們前期實驗上研究了非線性光子關聯干涉儀，演示了其信噪比較傳統的干涉儀有約4dB的量子增強，這一干涉儀目前還有諸如內部損耗、過剩噪聲等制約因素的限制，因此在本項目的支持下，我們將利用我們在量子光源的產生、非線性干涉儀實現、冷原子介質產生等方面的實驗研究基礎，從干涉儀的各個環節入手，主要包括注入量子態的構造、量子態的操作以及干涉儀的探測部分，對干涉儀進行全面詳細的理論分析和實驗研究，尋找到克服目前干涉儀不理想因素的方法，最終實現量子態構造、量子態高效高保真操控以及新型量子探測技術協同作用下的超高靈敏度的新型量子關聯干涉儀。

結題摘要

本項目圍繞非線性干涉儀的實際套用及新物理機制兩個大的方面展開，從干涉儀的各個部分著手，如光學分束器和光學合束器等硬體結構本身、干涉儀的探測等，詳細深入地對非線性干涉儀的實際套用及新物理機制進行了理論和實驗研究，取得了一系列重要研究成果，主要包括：通過利用直接強度探測的方案，實驗實現了明亮注入型非線性干涉儀相位靈敏度較標準量子極限的突破，這種直接強度探測的方案使得可以在實驗上實現實時的量子增強，這一新的實驗結果可能在量子精密測量中有潛在的套用價值；研究了非線性干涉儀運轉於干涉條紋極大處時，連續級聯放大所帶來的系統量子特性的增強機制，實驗上觀察到了兩光束之間量子糾纏度較單個四波混頻的量子增強，這一研究成果對於擴展非線性干涉儀的實際套用具有重要的意義；提出了一種量子Sagnac干涉儀，並且理論上證明這種干涉儀的角速度靈敏度可以突破傳統的Sagnac干涉儀，為下一步實驗實現量子Sagnac干涉儀奠定了理論基礎；利用光學分束器作為線性反饋控制器，建立了基於線性反饋機制的相敏四波混頻光學參量放大器的理論模型，並且實驗研究了反饋控制對系統量子特性的調控機理，尤其發現系統存在一個最最佳化的反饋係數，使得系統的量子關聯達到最大，這一結果為利用線性光學手段最最佳化非線性干涉儀中量子關聯尋找到了一種有效途徑；在實驗上研究了損耗對非線性干涉儀性能的影響，研究表明干涉儀不同臂上的損耗對干涉儀輸出噪聲的影響也不一樣，在某些特殊情況下，輸出光束量子噪聲相消水平幾乎不依賴於系統內部損耗，這些發現對於非線性干涉儀的實際套用以及量子系統的噪聲控制有重要意義。 項目組共發表SCI論文36篇，其中包括Physical Review Applied 1篇， Physical Review Letters 3篇，Applied Physics Letters 7篇，Physical Review A 8篇，Optics Letters 3篇，Optics Express 4篇。項目執行期間共指導博士研究生十五名（其中六名已經畢業），碩士研究生十二名（五名已經畢業）。培養的研究生七人次獲得研究生國家獎學金、一人次獲得王大珩高校學生光學獎，兩人次獲得上海市優秀畢業生。