上海交大在量子精密测量领域取得突破

上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平教授团队与华东师范大学陈丽清、袁春华教授合作在量子精密测量研究方面取得重要进展,实现了高损耗下的量子干涉仪噪声压缩保护。

该团队在干涉仪路径损耗高达96%的情况下,依然展示了量子优势,实现了相位测量灵敏度突破标准量子极限。该方法的重要创新在于通过相干激光与量子压缩资源的优化分配,使得干涉仪抗损耗能力与光量子噪声压缩的量子优势同时得以保持,为发展损耗兼容、噪声抑制的可实用量子光学干涉技术提供了新方法。

相关研究成果近日以“Protection of Noise Squeezing in a Quantum Interferometer with Optimal Resource Allocation”为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

光学干涉仪作为高精度相位测量的重要工具,已广泛应用于科学探索、工业与国防领域。激光的发明,光的相干性导致了光学干涉仪的革命性发展。然而,激光起源于真空放大,光子统计展现泊松分布,其光子涨落使得激光干涉仪的相位灵敏度受限于标准量子极限(SQL)。突破激光干涉仪的SQL成为了量子光学与量子计量学领域的重大科学问题。

利用量子光学技术能够改变光场的泊松分布,产生光的压缩态。将光的压缩态注入激光干涉仪中,可实现对相位测量的标准量子极限突破。然而,光的压缩态非常脆弱,极易受到外界环境损耗的退相干性破坏,从而不能有效地展现其量子优势。在实际应用中,激光干涉仪不可避免受环境及元器件的损耗影响,导致这种量子压缩技术无法有效发挥量子增强作用。在干涉仪中怎样保护光的压缩特性,是量子光学领域长期关注的重要问题。

针对这一问题,该项研究利用原子偏振自旋转原理产生的光压缩态注入到激光线性干涉仪中,通过调节激光与压缩光的混合配比,将更多的激光注入损耗大的干涉臂,实现相位敏感测量。同时,在损耗小的干涉臂保留更多的压缩光,保护量子噪声压缩特性不被损耗破坏,从而实现一种高灵敏、低噪声、损耗兼容为一体的量子干涉新技术。

该项工作获得了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委与发改委的资助。

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