一种基于量子纠缠的光学干涉仪及相位探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于量子纠缠的光学干涉仪及相位探测方法，包括双光束产生系统、混合干涉仪和探测系统，其中，双光束产生系统的输出端分别与混合干涉仪及探测系统连接，混合干涉仪的输出端与探测系统连接，双光束产生系统包括第一四波混频放大器，第一四波混频放大器的输入端入射有相干光和第一真空光，其输出端产生第一共轭光束和第一探测光束，第一共轭光束进入探测系统，第一探测光束和第二真空光输入混合干涉仪的第二四波混频放大器，产生第二共轭光束和第二探测光束，上述光束经合束后输出信号光束，信号光束与探测系统连接。本发明专利技术探测效率高、干涉仪内部总光子数被放大、探测损耗较低、相位灵敏度可以突破散粒噪声极限并接近海森堡极限。并接近海森堡极限。并接近海森堡极限。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子纠缠的光学干涉仪及相位探测方法


[0001]本专利技术涉及一种光学干涉仪及相位探测方法，尤其涉及一种基于量子纠缠的光学干涉仪及相位探测方法。

技术介绍

[0002]在光学干涉仪超灵敏相位量子精密测量过程中，光传输过程采用的干涉仪大部分是马赫
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曾德尔干涉仪，这是由于马赫
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曾德尔干涉仪具有实验原理简单、易于实现、内部设置容易更改、内部工作空间宽广、测量精度高等优点。然而在这类传统干涉仪中，因为有真空噪声注入到了干涉仪的闲置输入端口，所以相位测量灵敏度受限于散粒噪声极限。对于马赫曾德尔干涉仪一个输入是真空光束，另一个输入是量子光束或经典光束时，相位灵敏度无法突破散粒噪声极限。这种观点只有在没有外部资源或双相位估计进行比较的情况下才成立。
[0003]在实验上相位并不是一个实际可观测的物理量，不存在一个与之对应的厄米算符，因此无法直接对相位的真实值进行测量。量子干涉测量方案通常对一个与相位相关的可观测物理量进行测量，根据测量结果间接估计待测相位的真实值。已有的相关探测方案，除了传统的对干涉仪输出的光场进行直接强度探测外，还有奇偶探测、平衡零拍探测和关联探测方案等。这些测量方案都能提高干涉仪的测量精度，其中部分方案内部设置复杂且探测效率较低。因此，在这种情况下，能够提供一种内部设置简单并且能增大干涉仪内部总光子数，降低干涉仪探测方法的外部损耗，是非常有意义的。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术目的是提出一种基于量子纠缠的光学干涉仪及相位探测方法，该干涉仪由简单的光学器件组成，光子内部损耗较低，该探测方法在干涉仪相位估计中探测效率高、光子外部损耗较低、其探测的相位灵敏度可以接近海森堡极限。
[0005]技术方案：本专利技术包括双光束产生系统、混合干涉仪和探测系统，其中，双光束产生系统的输出端分别与混合干涉仪及探测系统连接，所述混合干涉仪的输出端与探测系统连接，所述双光束产生系统包括第一四波混频放大器，第一四波混频放大器的输入端入射有相干光和第一真空光，其输出端产生第一共轭光束和第一探测光束，所述第一共轭光束进入探测系统，第一探测光束和第二真空光输入混合干涉仪的第二四波混频放大器，产生第二共轭光束和第二探测光束，上述光束经合束后输出信号光束，所述信号光束与探测系统连接。
[0006]所述第二共轭光束和第二探测光束分别进入干涉仪的两臂，其中，混合干涉仪的下臂放置有相移器。
[0007]所述第二共轭光束和第二探测光束分别通过平面反射镜反射后进入合束器进行合束，输出信号光束。
[0008]所述信号光束与第一共轭光束具有量子纠缠特性。
[0009]所述第一四波混频放大器和第二四波混频放大器的输入端均入射有泵浦光，输出端设有光阻挡器。
[0010]所述第一共轭光束和第一探测光束为明亮纠缠孪生双光束。
[0011]所述探测系统包括第一光电探测器和第二光电探测器，分别对信号光束和第一共轭光束的光强进行探测。
[0012]一种基于量子纠缠的相位探测方法，包括以下步骤：
[0013]步骤一、第一四波混频放大器产生的第一探测光束与第二真空光束进入第二四波混频放大器产生第二共轭光束和第二探测光束；
[0014]步骤二、放置在混合干涉仪下臂的相移器使第二共轭光束与第二探测光束产生相位差；
[0015]步骤三、第二共轭光束与第二探测光束分别通过平面反射镜反射进入合束器合束并输出信号光束；
[0016]步骤四、信号光束与第一共轭光束的光强信息分别通过第一光电探测器和第二光电探测器探测；
[0017]步骤五、通过光子湮灭产生算符对信号光束和第一共轭光束的光强进行计算，并通过误差传递公式计算出混合干涉仪的相位灵敏度。
[0018]所述步骤五具体包括：
[0019]5.1、第一四波混频放大器的输入输出关系为：
[0020][0021]其中，和分别是输入相干光束和第一真空光束的湮灭产生算符，分别是输入相干光束和第一真空光束的湮灭产生算符，和分别是第一四波混频放大器输出被放大的第一探测光束和第一共轭光束的湮灭产生算符，G1是第一四波混频放大器的增益参数，θ1是第一四波混频放大器的相位；
[0022]5.2、第一共轭光束的光强为:
[0023][0024]其中，N是输入相干光束的光子数；
[0025]5.3、第二四波混频放大器的输入输出关系为：
[0026][0027]其中，和分别是混合干涉仪输入的第二真空光束的湮灭产生算符，和分别是第二四波混频放大器输出二次被放大的第二探测光束和第二共轭光束的湮灭产生算符，G2是第二四波混频放大器的增益参数，θ2是第二四波混频放大器的相位；
[0028]5.4、经过相移器后上下两臂输入输出关系为：
[0029][0030]其中，和分别是经过相移器二次被放大的第二探测光束和第二共轭光束的湮灭产生算符，φ是相移器的相位；
[0031]5.5、混合干涉仪合束器的输入输出关系为：
[0032][0033]其中，分别是干涉仪合束镜输出信号光束的湮灭产生算符，T、R分别是合束镜的透射率和反射率；
[0034]5.6、干涉仪输出信号光束的光强为：
[0035][0036]5.7、强度差探测下干涉仪相位灵敏度计算公式：
[0037][0038]有益效果：本专利技术的探测方法简单有效、探测效率高、干涉仪内部总光子数被放大、探测损耗较低、相位灵敏度可以突破散粒噪声极限并接近海森堡极限；为外部资源光学干涉仪精密测量提供了新方案，对引力波探测仪、量子计算、光学成像、磁力测量、陀螺仪和原子钟以及其他许多干涉仪和等离子体传感增强等有很大的帮助；将不能直接实现的光学相位测量转为技术成熟的强度差测量。
附图说明
[0039]图1为本专利技术的整体结构示意图；
[0040]图2为本专利技术实施方式中四波混频参量强度和光子数与干涉仪最佳相位灵敏度关系图，其中，图2(a)为光子数与最佳相位灵敏度关系图，图2(b)为参量强度与最佳相位灵敏度关系图；
[0041]图3为本专利技术实施方式中四波混频参量强度与相移关系图；
[0042]图4为本专利技术实施方式中相移与相位灵敏度和量子压缩的函数关系图；
[0043]图5为本专利技术实施方式中最佳量子压缩与参量强度和光子数关系图，其中，图5(a)为光子数与最佳量子压缩关系图，图5(b)为参量强度与最佳量子压缩关系图。
具体实施方式
[0044]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0045]如图1所示，本专利技术包括双光束产生系统、混合干涉仪和探测系统，双光束产生系统的输出端分别与混合干涉仪及探测系统连接，混合干涉仪的输出端与探测系统连接。双光束产生系统包括第一四波混频放大器4，第一四波混频放大器4的输入端入射有相干光1、泵浦光2和第一真空光3，其中，泵浦光2是强度很高的相干光，为四波混频反应提供能量，第一四波混频放大器4的输出端设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，包括双光束产生系统、混合干涉仪和探测系统，其中，双光束产生系统的输出端分别与混合干涉仪及探测系统连接，所述混合干涉仪的输出端与探测系统连接，所述双光束产生系统包括第一四波混频放大器，第一四波混频放大器的输入端入射有相干光和第一真空光，其输出端产生第一共轭光束和第一探测光束，所述第一共轭光束进入探测系统，第一探测光束和第二真空光输入混合干涉仪的第二四波混频放大器，产生第二共轭光束和第二探测光束，上述光束经合束后输出信号光束，所述信号光束与探测系统连接。2.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述第二共轭光束和第二探测光束分别进入干涉仪的两臂，其中，混合干涉仪的下臂放置有相移器。3.根据权利要求1或2所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述第二共轭光束和第二探测光束分别通过平面反射镜反射后进入合束器进行合束，输出信号光束。4.根据权利要求3所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述信号光束与第一共轭光束具有量子纠缠特性。5.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述第一四波混频放大器和第二四波混频放大器的输入端均入射有泵浦光，输出端设有光阻挡器。6.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述第一共轭光束和第一探测光束为明亮纠缠孪生双光束。7.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠的光学干涉仪，其特征在于，所述探测系统包括第一光电探测器和第二光电探测器，分别对信号光束和第一共轭光束的光强进行探测。8.基于权利要求1～7任一项所述一种基于量子纠缠的相位探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、第一四波混频放大器产生的第一探测光束与第二真空光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，邵涛，汪园香，厉淑贞，荆庆丽，张明明，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：