基于關(guān)聯(lián)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(lǐng)域不斷地得到完善和發(fā)展，同時也帶動各種相關(guān)的實驗技術(shù)不斷發(fā)展成熟。其中，以光學系統(tǒng)為基礎(chǔ)的各種量子技術(shù)，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(shù)為非經(jīng)典光場的制備與檢測提供了必要的實驗基礎(chǔ)。在其不斷發(fā)展的過程中，光場的關(guān)聯(lián)特性逐漸得到了人們越來越多的關(guān)注，并且在測量和成像等方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。<

2、br>　　 本文圍繞著光場關(guān)聯(lián)特性在測量上的應(yīng)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(shù)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(nèi)容有:
　　 1.基于腔量子電動力學技術(shù)的多光子NOON態(tài)制備
　　 近年來，理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)利用處于路徑糾纏的光子數(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)生光子數(shù)態(tài)，由此得到兩個空間模之間糾纏的光子數(shù)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(diào)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(shù)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(guān)聯(lián)性質(zhì)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(chǔ)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(yīng)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(shù)有關(guān)，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(tǒng)光纖陀螺，表現(xiàn)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