光子、原子乃至分子的量子资源正在被开发利用，并推动量子光学、原子光学与原子分子物理等学科研究的融合。光子与原子潜在优势也正在牵引量子精密测量领域的发展，成为目前国际原子、分子与光物理交叉领域的前沿趋势之一。对于基于原子系统的量子中继器，原子磁力计和原子干涉仪而实现的精密测量，各种噪声始终是限制测量精度的主要因素。关于降低噪声的研究有很多，而通过控制相互作用过程或通过利用量子计量学中的量子态来减少噪声方案是其中一种重要的调控手段。例如，通过引入真空压缩场和原子压缩状态，可以将原子磁力计的噪声抑制在标准量子极限以下。减少光场和原子系统的噪声波动也有助于产生原子-光压缩态等。陈丽清教授、袁春华副研究员与上海交通大学的张卫平教授合作，理论上攻关了通过使用时间模式优化过的种子光，可以减小受激拉曼散射过程中产生的信号光的强度噪声，这种利用优化时间模式降噪声的方法有助于基于原子-光关联系统的量子信息处理。

       与空间模式匹配可以在单模光纤中自动实现不同的是，时间模式与色散和增益高度敏感，因此时间模式特性很复杂。利用奇异值分解方法研究了时间模式的结构，获得输入输出关系。在描述脉冲拉曼散射过程时，时间模式分析提供了一种内在解耦模式的简单方法。我们证明了通过时间模式优化可以减少原子-光相互作用中的模式不匹配噪声。本征时间模式可以通过迭代方法获得，该迭代方法取决于拉曼泵浦形状，无论输入种子光是什么波形。 通过使用优化的时间模式，与非最佳情况相比，输出信号的噪声波动降低了4.3 dB。 同时，信号和原子自旋波之间的强度差的噪声波动减小了3.1 dB。 我们的结果表明，与空间多模相似，时间多模也为基于原子系统的测量带来了很大的噪声。 这一点在以前的研究中一直被忽略。 我们的研究结果有助于提高基于光原子系统而实现的精密测量的精度。该技术的潜在应用不是仅限于量子光学，也可以应用于其它类似系统，同时可以将该技术推广到其他脉冲泵浦系统。该工作发表于Photonics Research 8, 1697 (2020)。        

图1.  时间模式迭代；优化后输出信号的噪声波动降低了4.3 dB；信号和原子自旋波之间的强度差的噪声波动减小了3.1 dB。