基于压缩态光场的量子增强相位估算
发布时间：2022-01-07 19:57
计量学是一门研究测量以及测量误差的综合性学科。随着量子力学的飞速发展以及量子资源的不断提高,计量学与量子力学在微观层面的结合逐渐形成量子精密测量这一广受关注的前沿领域。量子精密测量是以实现高分辨率和高灵敏度的物理量测量为研究目标,通过运用量子力学理论来描述物理系统,期望达到比经典测量更高的测量精度。对物理量进行精确测量是科学和技术进步的基础,而量子力学在这一挑战中起着核心作用。一方面,由于量子涨落带来的不可避免的统计不确定性给高精度测量带来基本限制,量子力学给出经典计量学无法突破的测量精度极限,即标准量子极限;另一方面,利用量子力学的一些非经典特性,如纠缠、相干和压缩等可以突破标准量子极限,实现量子增强型计量。相位估算作为精密测量的核心研究内容之一,可应用于长度、速度和位移等物理量的精确测量,其核心问题是在资源（光子/测量样本数）固定的情况下,如何提高相位估算的精确度和灵敏度。由于相位不是厄米算符,光场的相位不能直接测量得到。因此只能通过与相位有确定关系的可观测厄米算符的测量结果来间接推导得出,例如基于干涉装置的场或者强度等,这样的间接测量过程就被称为参量估算。而基于量子资源的相位估算...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
正交分量起伏分布
第一章绪论7(a)真空压缩态(b)明亮压缩态图1.2压缩态光场正交分量起伏分布。1986年美国Slusher小组实验上通过纳蒸汽的四波混频首次实现了光场的压缩，制备得到了相对真空态而言7%的压缩态光场[57]，同年吴令安小组通过光学参量下转换制备得到-3dB的压缩态光场[58]，随后人们开展了一系列的压缩态的实验制备研究，现在压缩态光场的制备方法已经相当成熟[59-62]。目前国际上实验制备的压缩度最高的压缩态光场为2016年德国马-普实验室实现的15dB的压缩态光场[63]。在压缩态光场的实际产生过程中，由于一些不可避免的损耗和额外噪声的存在，尤其对于高压缩度的压缩态而言，实验制备的压缩态光场往往会出现压缩幅度与反压缩幅度不相等的情况[64]。把这种压缩分量与反压缩分量不等的压缩态光场称为压缩热态，引入反压缩分量额外噪声因子r3o来描述压缩热态[65]。以正交振幅压缩态为例，压缩热态的正交分量方差变为：222221212rrrxepe(1.23)其平均光子数为：2(|/|1)2rrrneneèIoèNLQoH(1.24)除了相干部分2||(，还包括压缩部分2sinh(rnrr/2)h和反压缩额外噪声部分(1)/2reè}oo[66]。实际产生的压缩态光场往往会出现反压缩分量大于压缩分量的倒数，如图1.3所示分别为压缩纯态和压缩热态在相空间的正交分量起伏。详细的理论分析在第三章压缩态光场的产生部分。
基于压缩态光场的量子增强相位估算8(a)压缩纯态(b)压缩热态图1.3压缩纯态和压缩热态在相空间的正交分量起伏。1.3.3EPR纠缠态光场首先引入双模压缩算符，2S()=exp(abab)tvux(1.25)与单模压缩算符中的定义相同，其中ire为压缩参量，r的大小与压缩度有关，为压缩角，a和b分别表示两个子模式的光场湮灭算符。将双模压缩算符作用到双模真空态0,0即可得到双模压缩真空态，22S()0,0(1.26)双模压缩算符不仅仅是两个单模压缩算符的乘积，其等效于两个单模压缩算符在50/50分束器上耦合的效果。双模压缩真空态实际上是一种双模纠缠态，称之为EPR纠缠态光场[67,68]，两个子模之间存在很强的关联性，不能写成两个子模直积的形式。将双模压缩算符作用到两个子模的湮灭算符上有：2222()()=coshsinh()()=coshsinhiiSaSarberSbSbraeruu8(1.27)在理想情况下，对于纠缠态光场，可以计算正交分量间的量子关联特性[69,70]。其中正交分量和趋于0表示两正交分量为反关联，正交分量差趋于0表示两正交分量为正关联。正交振幅正关联正交位相反关联的纠缠态光场的量子关联特性如下：2222()0()()()0ababababxxxxpppp(1.28)正交振幅反关联正交位相正关联的纠缠态光场的量子关联特性如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]精密测量中的量子极限[J]. 袁春华,张可烨,张卫平. 中国科学:信息科学. 2014(03)
博士论文
[1]连续可调谐单频激光器的研究[D]. 靳丕铦.山西大学 2018
[2]SU（1,1）干涉仪中相位估值的研究[D]. 李栋.华东师范大学 2016
[3]激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制[D]. 沈辉.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2015
[4]连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究[D]. 卢华东.山西大学 2011
本文编号：3575173
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
正交分量起伏分布
第一章绪论7(a)真空压缩态(b)明亮压缩态图1.2压缩态光场正交分量起伏分布。1986年美国Slusher小组实验上通过纳蒸汽的四波混频首次实现了光场的压缩，制备得到了相对真空态而言7%的压缩态光场[57]，同年吴令安小组通过光学参量下转换制备得到-3dB的压缩态光场[58]，随后人们开展了一系列的压缩态的实验制备研究，现在压缩态光场的制备方法已经相当成熟[59-62]。目前国际上实验制备的压缩度最高的压缩态光场为2016年德国马-普实验室实现的15dB的压缩态光场[63]。在压缩态光场的实际产生过程中，由于一些不可避免的损耗和额外噪声的存在，尤其对于高压缩度的压缩态而言，实验制备的压缩态光场往往会出现压缩幅度与反压缩幅度不相等的情况[64]。把这种压缩分量与反压缩分量不等的压缩态光场称为压缩热态，引入反压缩分量额外噪声因子r3o来描述压缩热态[65]。以正交振幅压缩态为例，压缩热态的正交分量方差变为：222221212rrrxepe(1.23)其平均光子数为：2(|/|1)2rrrneneèIoèNLQoH(1.24)除了相干部分2||(，还包括压缩部分2sinh(rnrr/2)h和反压缩额外噪声部分(1)/2reè}oo[66]。实际产生的压缩态光场往往会出现反压缩分量大于压缩分量的倒数，如图1.3所示分别为压缩纯态和压缩热态在相空间的正交分量起伏。详细的理论分析在第三章压缩态光场的产生部分。
基于压缩态光场的量子增强相位估算8(a)压缩纯态(b)压缩热态图1.3压缩纯态和压缩热态在相空间的正交分量起伏。1.3.3EPR纠缠态光场首先引入双模压缩算符，2S()=exp(abab)tvux(1.25)与单模压缩算符中的定义相同，其中ire为压缩参量，r的大小与压缩度有关，为压缩角，a和b分别表示两个子模式的光场湮灭算符。将双模压缩算符作用到双模真空态0,0即可得到双模压缩真空态，22S()0,0(1.26)双模压缩算符不仅仅是两个单模压缩算符的乘积，其等效于两个单模压缩算符在50/50分束器上耦合的效果。双模压缩真空态实际上是一种双模纠缠态，称之为EPR纠缠态光场[67,68]，两个子模之间存在很强的关联性，不能写成两个子模直积的形式。将双模压缩算符作用到两个子模的湮灭算符上有：2222()()=coshsinh()()=coshsinhiiSaSarberSbSbraeruu8(1.27)在理想情况下，对于纠缠态光场，可以计算正交分量间的量子关联特性[69,70]。其中正交分量和趋于0表示两正交分量为反关联，正交分量差趋于0表示两正交分量为正关联。正交振幅正关联正交位相反关联的纠缠态光场的量子关联特性如下：2222()0()()()0ababababxxxxpppp(1.28)正交振幅反关联正交位相正关联的纠缠态光场的量子关联特性如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]精密测量中的量子极限[J]. 袁春华,张可烨,张卫平. 中国科学:信息科学. 2014(03)
博士论文
[1]连续可调谐单频激光器的研究[D]. 靳丕铦.山西大学 2018
[2]SU（1,1）干涉仪中相位估值的研究[D]. 李栋.华东师范大学 2016
[3]激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制[D]. 沈辉.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2015
[4]连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究[D]. 卢华东.山西大学 2011
本文编号：3575173
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