基于压缩光与纠缠光的量子干涉精密测量及应用

张永超,张铁犁,高小强,刘晓旭,徐永垚

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

1 引言

量子精密测量技术作为新兴的技术领域,相比于经典测量方法对测量精度有较大提升,能够较好的应用于时间测量、重力测量和磁场测量等研究领域。当前,由于受真空波动的影响,传统干涉仪的精确性受到了一定的限制。然而,随着精密测量技术的进步,一些新型的测量系统已经可以实现突破标准量子极限(SQL)的精密测量,从而大大提高了其测量精确性[1]。量子精密测量技术通过量子态特性[2-3],可以实现突破SQL 的精密测量。采用基于线性干涉仪的量子干涉测量技术进行原理验证工作,进而实现相位信号信噪比的提升,这对于未来突破SQL 的位移、角度、温度以及气体浓度等物理量的高灵敏度测量与实际测试应用具有重要意义。随着量子精密测量原理验证的不断迭代与优化,未来量子干涉精密测量技术将快速发展,逐渐形成的量子类仪器如量子磁力计、量子钟、量子引力计、量子重力梯度计、量子陀螺仪、量子加速度计以及量子雷达将逐渐走出试验室并走向产品化。然而,目前量子干涉仪中的各种噪声阻碍了其性能的进一步提升。文中将从基于纠缠态与压缩态光源的干涉测量技术简单介绍量子精密测量原理,并对其在引力波测量、气体浓度检测以及量子成像等方面的应用做出介绍。

2 量子干涉测量原理

2.1 基于压缩态光源的量子干涉测量原理

目前制备压缩态光源的方法主要包括二阶非线性过程中的自发参量下转换(SPDC)、四波混频(FWM)。SPDC 过程中的泵浦光子进入二阶非线性晶体中,会分为信号光和闲频光,并且根据是否有信号光注入,可以分为光学参量振荡与光学参量放大技术。FWM 是由光与介质之间发生非线性作用,第四个光场是通过三个光场之间的非线性作用产生。FWM 过程中产生了共轭光,非线性效应使得探针光与共轭光的总光强增加,但由于它们的相对强度噪声未增加,故在强度差上得到了压缩。如图1所示的马赫-曾德尔(MZ)干涉仪,光场a与b分别作为相干态光场与真空压缩态光场进行输入,经过分光棱镜BS1 进行功率等分后在干涉仪的两臂中进行传输,传输过程中引入的相位差为φ。在测量臂中加入需要待测量的物理参量,相位差φ会随着待测物理参量的变化而改变。两束光在分光棱镜BS2 上干涉后形成输出光场c和d,并被两个光电探测器进行探测接收后转换为电信号。

图1 量子增强型MZ 量子测量示意图Fig.1 Schematic diagram of quantum enhanced MZ quantum measurement

获得待测信号的信噪比(SNR)定义为

式中:φ′——相位变化量;N——相干态光场的平均光子数;e-r——真空态压缩光场的正交相位起伏;α——相干态光场的平均场;r——压缩因子。

r=0 时,对应的注入场为真空态,当注入场由真空变为真空压缩态光场时,待测信号的SNR将随着压缩度的增加而增大[4]。因此,在MZ 的真空通道中注入真空压缩态光场,形成的量子增强型干涉仪将对待测信号的SNR有较大的增强。

2.2 基于纠缠态光源的非线性测量原理

试验上使用的量子纠缠源可以通过自发参量下转换(SPDC)、腔量子电动力学法(QED)、核磁共振(NMR)系统等方法进行制备。其中自发参量下转换技术是光子之间的纠缠,实现起来简单易行,能够产生良好的纠缠态光源。这里以基于SPDC制备纠缠态光源进行简单介绍。自发参量下转换技术是利用非线性晶的二阶非线性效应产生纠缠态,通过采用较高频率的泵浦光入射非线性晶体,泵浦光子会分裂为信号光与闲频光,这两个光子具有关联性,并且可以通过符合计数测量原理对测量光场的二阶相干性进行测量。但是受限于探测器的响应速度,符合计数测量只能获得皮秒量级的测量分辨率。为了进一步提高测量分辨率,可以结合光纤干涉仪进行符合测量,目前的干涉仪结构有HOM 干涉仪和MZ 干涉仪以及迈克尔逊干涉仪等。HOM 干涉仪与MZ 干涉仪分别适用于探测频率反关联与频率正关联双光子态的时间关联特性,并在符合测量试验中进行应用,其示意图如图2 和图3所示。

图2 典型HOM 干涉仪示意图Fig.2 Schematic diagram of a typical HOM interferometer

图3 典型MZ 干涉仪示意图Fig.3 Schematic diagram of a typical MZ interferometer

3 主要应用

3.1 微小位移与角度多参数同时测量应用

量子弱测量作为一种量子增强测量技术,能够将待测的微小物理量通过弱值放大技术提升其信噪比,从而使测量结果的精度大大提升。量子弱测量技术已经在光束偏转、相位延迟以及频率漂移等微小量的精确测量中得到广泛应用。如图4 所示,研究人员在试验中使用了后选择弱测量方法来抵抗技术噪声,首次实现了对同一光束的纳米级横向位移与纳弧度级角向偏折的同时测量,其中的位置位移和角倾斜由压电陶瓷驱动器(PZT)驱动的反射镜引入,最终实现了高达1.45 nm 和4.08 nrad 的测量精度[5]。

图4 试验装置原理图Fig.4 Schematic diagram of experimental device

3.2 引力波测量应用

引力波作为当前物理学研究的热门领域,压缩态量子光源的引入使其在测量精度上有了显著提升。引力波探测主要通过激光的干涉效应实现测量臂与参考臂之间长度差的测量。在测量臂与参考臂中,激光的多次反射会增加光传播的有效光程。Carlton Caves 提出了使用压缩光来突破标准量子极限,该方法已经实际应用于引力波探测中。目前引力波探测系统LIGO 干涉仪中使用了压缩态光,压缩态使其对50 Hz 以上信号的灵敏度提高了3 dB。压缩态的引入使得LIGO 干涉仪可以捕捉到更多的引力波,预期检测率提高40%～50%[6],如图5 所示。引力波探测器灵敏度的提升为探测以前无法探测到的新引力波源提供了新的方法与途径,提高了探测更多空间信号(如来自超新星或者黑洞与中子星并合产生的引力)的能力。

图5 LIGO 干涉仪的示意图Fig.5 Schematic diagram of LIGO interferometer

3.3 气体浓度检测应用

量子干涉测量技术能够在几百万分子和原子中探测到低至几十个的低浓度粒子,这种超高灵敏度使其具有检测干涉图样中的细微变化的能力。目前的红外光学传感器能够对分子内部运动的微小变化进行超灵敏度检测,但受限于红外区域光学材料,红外光学传感技术未能得到广泛应用。为了解决遇到的问题,研究人员通过采用诸如非线性晶体、原子系综以及非线性波导等量子干涉测量方法部分解决了这些问题。图6 给出了利用纠缠光子对气室内二氧化碳浓度进行测量的试验装置,系统利用两块SPDC 晶体替代了传统的线性分束/合束器件,通过基于非线性晶体的SPDC 过程,结合光参量放大(OPA)技术实现了对二氧化碳浓度的高准确度检测,同时获得了有关介质折射率和吸收系数的准确结果[7]。

图6 基于纠缠光源的二氧化碳浓度测量装置示意图Fig.6 Schematic diagram of a CO2 concentration measurement device based on entangled light sources

图7 给出了利用基于系列非线性晶体超晶格组成的单相干激光泵浦干涉仪系统,该气体传感系统试验显示出具有超高灵敏度[8]。量子干涉测量技术对于推进量子气体传感技术具有重要作用,为开展量子态气体传感提出了新方法与思路。

图7 基于非线性晶体超晶格的非线性干涉仪Fig.7 A nonlinear interferometer based on a nonlinear crystal superlattice

3.4 量子成像的应用

量子干涉测量技术的原子长度尺度及其相干特性使其具有超高的空间分辨率和灵敏度,在生物医学中具有广阔的应用前景。图8 显示了研究人员利用基于纠缠光源的非线性干涉测量法,展示了高度多模量子非线性干涉仪的形成,以及使用中功率可见光激光器和标准CMOS 相机进行中红外显微成像的试验。试验获得了覆盖3.4～4.3 μm 的较宽波长范围的宽场成像,并在包含650 个分解元素的图像获得了35 μm 的空间分辨率[9]。此外,研究人员证明了他们的技术适用于在中红外采集生物组织样本的显微图像。

图8 试验装置和干扰图像Fig.8 Experimental device and interference image

此外,基于量子光源的量子精密测量技术还能够应用于气体折射率、温度、速度等物理量的超精密测量中。

4 结束语

目前量子测量技术应用领域主要是基础科研、地质监测、气候监测、生物医学检测、远程制导、军事反潜、能源勘探和精密授时等领域。一方面,基于量子压缩的相干性测量技术主要通过量子体系的波动特性,利用干涉原理对待测目标引入的相位差进行测量,通过对相位差信号的解算获得待测物理量的数值。该技术成熟度较高,并且由于其较高的测量精度,使其在定位制导、重力探测等领域得到广泛应用。另一方面,基于量子纠缠的测量技术主要应用于量子雷达和量子卫星导航领域中,受限于纠缠量子态的制备与操控等技术未完全攻克,目前的研究仍处于原理验证阶段,需要进一步解决在实际场景应用中遇到的问题。目前的量子测量技术中,基于压缩光与纠缠光测量技术研制的精密测量仪器,普遍存在体积大、功耗高、集成化低以及实用性较差的缺点,形成的研究成果基本处于原理性验证阶段,并对工作环境具有极高的要求,难以向工程化与实用化的方向发展。未来需要对其进行深入探索与研究,研制超高灵敏度、小型化、轻量化以及智能化的量子精密测量仪器。随着技术成熟和系统优化,量子测量精度、稳定度、环境适应性、体积功耗等性能指标将不断提升。除了相对成熟的量子频率基准、量子磁力计、量子重力仪、量子陀螺仪和量子目标识别五大方向,新技术方向和应用也不断涌现,拓宽了技术路线,为更多物理量(如温度、应力等)的精密测量奠定了理论和试验基础。未来,基于压缩光与纠缠光测量技术的量子精密测量产业将沿着专用级(科研、国防)和工业级的方向发展,并进一步提高其测量灵敏度与小型化水平。研究将量子陀螺仪与其他传感器(如加速度计和磁力计)集成的方法,以提供更完整的环境图像;同时增强其鲁棒性,以提高量子陀螺仪的可靠性和稳定性,使其更能抵抗外部干扰和环境条件的变化。量子精密测量在理论与试验验证上已基本成熟,但是部分原理技术如量子纠缠态高效确定性的产生方法等方面仍有待攻克。

目前,量子测量相比于经典测量有着更加广阔的应用领域与应用场景,基于压缩光与纠缠光的量子精密测量技术以其高测量灵敏度,未来将在航空航天、基础科研以及军事装备等高精尖领域得到广泛应用,但是目前研制的量子传感器存在体积大、工程化水平低以及稳定性差等缺点使其未能得到大规模推广应用。量子精密测量技术在短期内只能作为传统测量技术的一种增强和补充,距离实际应用还有较多的技术问题需要攻克。