基于關聯光學的精密測量理論和方法研究.pdf

1、上個世紀80年代誕生的量子信息學在最近的三十幾年里得到了飛速發(fā)展，各種量子信息處理方案先后被提出，量子信息學在諸多領域不斷地得到完善和發(fā)展，同時也帶動各種相關的實驗技術不斷發(fā)展成熟。其中，以光學系統為基礎的各種量子技術，較其他方法得到了更快的發(fā)展，因為光場易于傳輸，且相對成熟的光電技術為非經典光場的制備與檢測提供了必要的實驗基礎。在其不斷發(fā)展的過程中，光場的關聯特性逐漸得到了人們越來越多的關注，并且在測量和成像等方面表現出獨特的優(yōu)勢。<

2、br>　　 本文圍繞著光場關聯特性在測量上的應用的一些熱點問題展開研究，主要討論了形如(|N0〉+|0N〉)√2的雙模路徑糾纏光子數態(tài)，即多光子NOON態(tài)的制備和超出散粒噪聲極限的光學陀螺兩方面的問題，主要內容有:
　　 1.基于腔量子電動力學技術的多光子NOON態(tài)制備
　　 近年來，理論和實驗研究發(fā)現利用處于路徑糾纏的光子數態(tài)，即所謂的“NOON”態(tài)，的光場可以達到海森堡測量極限。然而，目前實驗上能制備的NOON態(tài)所

3、含的光子數比較少，無法滿足實際測量的需求。如何制備含有大量光子的NOON態(tài)成為了一個亟待解決的問題。因此，本文提出了兩個利用腔QED技術制備多光子NOON態(tài)的方案。
　　 (a)利用原子與腔場之間的Bragg散射可以將原子束相干的分為兩束，分別進入空間分離的兩個光學腔中，從而得到在兩個空間模之間的糾纏。隨后，通過一個受激拉曼躍遷過程在其中一個腔中產生光子數態(tài)，由此得到兩個空間模之間糾纏的光子數態(tài)。
　　 (b)通過原子與

4、腔場之間的相互作用，可以對雙面腔的反射率和透射率進行調制。因此，利用一個階梯型三能級原子與單模雙面腔之間的相互作用，可以制備出一個兩個空間模之間糾纏的光場。將這個糾纏光場用于激發(fā)分別囚禁于兩個空間分離的腔中的原子系宗，使其輻射光子，從而制備出多光子NOON態(tài)。
　　 與以往工作相比，這兩個方案提高了NOON態(tài)光場中的光子數目，減低了對腔壽命時間的限制，同時也降低了實際操作中的復雜度。
　　 2.以雙模壓縮相干態(tài)光場為光源

5、的光學陀螺
　　 研究表明利用光場關聯性質可以將干涉測量靈敏度由散粒噪聲極限提高至海森堡極限，則以干涉為基礎的傳感器的測量精確度也可以進一步提高的。為此，我們就如何提高相位敏感型光學陀螺的測量精確度問題展開研究。從實際應用的角度考慮，本文采用了強度相對來說更大，制備方法較為成熟的雙模壓縮相干態(tài)光場。研究顯示，在這種情況下，光學陀螺的測量靈敏度不僅與壓縮參數有關，而且也會受到制備雙模壓縮光場的初始相干光場的復振幅相位影響。當陀螺光

6、源為孿生光束時，光學陀螺的測量靈敏將會突破散粒噪聲極限，在信噪比、動態(tài)范圍等方面均顯示出極大的優(yōu)勢。在靈敏度相等的情況下，相對于傳統光纖陀螺，表現出更低的噪聲水平和更低的對光源強度的需求。
　　 3.噪聲對超精密相位測量的影響
　　 一般來說，在噪聲環(huán)境中測量精度會降低。對于以雙模壓縮相干態(tài)作為光源的光學陀螺，本文分別考察了光源和光傳輸過程中的噪聲對測量靈敏度的影響。對于光源的噪聲，主要分析了光源兩模強度不相等和兩模相位