通过直接强度探测实现明亮注入的SU(1,1)干涉仪相位灵敏度的实时量子增强
发布日期:2019-04-26   作者:王玲   浏览次数:395

光学干涉仪是计量学的基础,它为精确相位测量做出了巨大贡献。 然而,随着光学干涉仪的发展,人们认识到传统干涉仪的相位灵敏度有其自身的经典极限,称为标准量子极限,由数值1 /来刻画,其中是干涉仪内部的光子数。量子计量学研究量子力学如何影响测量系统并使其超越标准量子极限成为可能,这对现代度量学带来了巨大的促进作用。近期实验室荆杰泰教授研究小组使用原子蒸汽中四波混频过程作为非线性SU11)干涉仪,通过直接强度探测的方式实验展示了干涉条纹暗条纹处相位灵敏度的量子增强。

   如图1所示,我们使用两个四波混频过程代替,Mach-Zehnder干涉仪的分光镜,从而形成了非线性SU(1,1)干涉仪。而后通过更进一步的研究我们发现在某些特定相位,在相同内部光子数的条件下,非线性SU(1,1)干涉仪的相位灵敏度会实时超过标准量子极限,并且随着干涉仪内部光子数的增加,相位灵敏度也会增强。对这一现象演示的相关工作近期发表在Phys. Rev. Applied 10, 064046 (2018)

我们的结果显示在图2中,标准量子极限(曲线i)和明亮注入SU1,1)干涉仪(曲线ii)的相位灵敏度随着内部光子数变化如图2(a)所示。明亮注入SU1,1)干涉仪的相位灵敏度随着注入光束功率的增加而增加,满足对数比例关系。标准量子极限比明亮注入SU1,1)干涉仪的相位灵敏度比例高约1.15±0.16 dB。也就是说,明亮注入的SU1,1)干涉仪相位灵敏度已经突破了标准量子极限约1.15 dB。相应的理论预测曲线如图2b)中的迹线i-ii所示。与我们前期的研究工作相比,当前我们的实验工作表明明亮注入的SU1,1)干涉仪可以通过强度探测实现相位灵敏度的实时量子增强,该研究成果有望用于实现实时的量子相位跟踪,在地震监测、生物传感、激光雷达等领域有着潜在应用。

1实验装置

2 明亮注入SU1,1)干涉仪和标准量子极限的相位灵敏度的刻画(a)实验结果,(b)理论预测。