基于光纤干涉仪的量子精密测量

Fiber-based measurement and sensing has been widely applied in detecting temperature, pressure, displacement, vibration, velocity, acoustic field, electric current and voltage, and magnetic field. Fiber interferometer is one of the most important configurations, which is limited by the quantum fluctuations of the input light field. The precision with a coherent input is shot-noise limited (SNL). When involving a non-classical field (such as squeezing and entanglement states), one can break the SNL, and even reach the Heisenberg limit. In this project, we enhance the precision of a fiber interferometer by introducing the techniques in quantum precision measurement. Especially, the quantum techniques in measuring the low-frequency signal can be utilized in lots of fiber measurements. Moreover, fiber system has unique advantages in quantum-enhanced measurement. For example, it can perform long-distance monitoring and can work at extreme circumstances with high-pressure, low-temperature, or vacuum. Also, fiber is easy to be integrated with computer system. We will design optimal quantum fiber interferometer for future applications.

基于光纤的测量及传感是一个有广泛应用的研究领域，可以进行温度、压力、位移、振动、转动、速度、声场、电流、电压、磁场等众多物理量的测量。光纤干涉仪是其中重要的测量方案之一，其理论测量极限是由输入光场的量子噪声所决定的。经典相干光做测量受到散粒噪声的限制。当输入非经典光（压缩态、纠缠态等）时，可以把测量精度提高到突破散粒噪声极限，甚至达到海森堡极限。本项目中，我们把比较成熟的压缩态量子精密测量技术引入到光纤干涉仪中，提高其测量精度。很多情况下，光纤传感都是在低频段进行测量，在引力波探测中发展起来的低频量子精密测量技术可以在光纤中找到新的应用。同时，用光纤干涉仪做量子精密测量有独特的优势，比如可以实现远距离测量和监控，可以适应各种特殊工作环境（如高压、低温、真空等），便于与计算机系统集成遥测等。我们将根据光纤自身的特点设计合适的量子测量方案，构建具有实际应用前景的量子光纤干涉仪。

在本项目中，我们将把基于连续光压缩态的精密测量原理和技术引入到光纤系统中，在光纤干涉仪中实现量子增强的精密测量。围绕量子光纤干涉仪的原理、设计、构建及应用，我们取得了一系列研究成果，具体包括：（1）在理论上对Mach-Zehnder和Sagnac型光纤干涉仪建立了理论模型，分别对相干态和压缩态、高斯光和携带光子轨道角动量光束注入情况下，对动态相位信号、动态旋转信号等的测量精度进行了理论模拟，并优化实验方案；（2）在实验上，对光纤干涉仪的参数进行了优化，整体插入损耗控制在30%以内；基于自适应Homodyne方案，实现了对大角度动态相位信号的实时追踪，精度达到经典极限；建立了量子Mach-Zehnder干涉仪，并在实验上实现了量子增强的低频相位信号测量，突破了经典散粒噪声极限。（3）对携带光子轨道角动量态进行非线性调控，并研究了其在非线性光学过程中的特点，可以实现高阶（最大12阶）的光子轨道角动量光束的可控输出；开发了一种新型三维非线性光子晶体，可用于高维量子光源制备。（4）建立了Sagnac型干涉仪，并利用携带光子轨道角动量l的光束实现了对角向旋转信号的静态和动态测量，相对高斯光束入射性能提升了l倍；对携带光子轨道角动量的光束进行了纯度优化，为实现光子轨道角动量压缩态并应用于精密测量打好基础。