基于光-原子量子关联的量子无损测量实验研究

Atom is very important for precision measurements on magnetic field, electric field and light. In measurement, the accuracy of atomic system depends on the noise of the system including atomic noise, and back-action noise due to the interaction between atom and the signal system. All quantum noises become the final quantum limit for the accuracy of the atomic system. Therefore, to develop quantum measurement technology breaking the limit of quantum noise, it has become the frontier research trend in the fields of atomic and molecular physics, optical physics and precision measurement. Based on our previous research, we put forward our own proposal. We amplify the atomic signal based on light-atom quantum correlation, and suppress the back-action noise by quantum nondestructive measurement. The accuracy of the atom system can be improved. For a classical amplifier, the noise is amplified with the signal. But in the system with light-atom quantum correlation, the noise isn’t amplified when the signal is amplified because of the quantum correlation between light and atom. The signal to noise ratio in our system will be enhanced. The combination of light-atom quantum correlation and quantum nondestructive measurement will improve the accuracy of the atomic system and provide new measurement methods and technologies for precision measurement. The research results of the project will also enrich the scientific content of quantum optics.

原子做为探针在磁场、电场、光等弱信号测量上具有不可替代的优势。实际测量中，原子受系统噪声，包括原子投影噪声等的影响。同时，原子作为探针与被测信号的耦合，又会带来测量反作用噪声。这些量子噪声成为限制系统精度的最终量子限。怎样开拓量子测量技术突破量子噪声的限制，成为国际原子分子光物理与精密测量领域的前沿研究趋势。本项目针对这一研究现状，在申请人前期研究基础上，提出原创性实验方案，从实验上获得突破。其原理是以光-原子量子关联为基础低噪声放大原子信号，同时结合量子无损测量减小测量耦合的反作用噪声，提升原子弱信号测量精度。本方案的优势在于一般系统放大信号的同时也会放大噪声，而基于光-原子量子关联的放大原理，系统在放大信号时，可以关联抑制噪声的放大。光-原子量子关联系统与量子无损测量的结合，不仅在原理上提升原子测量精度，而且为精密测量领域提供新的方法和技术，同时将进一步丰富量子光学的科学内容。

精密测量在物理学研究中非常重要，是人们认识和探究事物的重要手段。在经典范畴内，测量精度受到标准量子极限的限制。项目主要基于光-原子量子关联系统发展多种量子操控方法，包括降低光-原子量子关联系统的各类噪声，优化量子压缩光场、光-原子相位关联和增益系数,发展了低噪声量子无损测量技术、线性和非线性混合干涉技术以及全光动力学退耦技术。并将量子操控方法用于发展新的量子精密测量技术，包括加速度、角速度、磁场以及光电系数测量等，实现突破标准量子极限的测量精度。项目实现的低噪声高效率宽带量子操控技术成果被美国光学学会作为节点工作写入2020量子光子学工业发展路径报告、以“迄今最高效率的量子转换技术”写入美国航天局2023-2032年太空量子存储器专题白皮书、德国航空航天中心-量子存储专题白皮书。基于量子无损测量技术发展的光-原子量子陀螺仪被中国信息通信研究院作为陀螺仪的未来发展量子新技术，写入中国2021“量子信息技术发展与应用”白皮书。. 项目组以通讯作者在国内外一流学术刊物Nature Communications、Photonics Research，Physical Review Applied、Physical Review A等上发表20篇高质量文章，申请发明专利6项，3项授权，3项公示。成果获2020年上海市自然科学一等奖，项目组成员获上海市巾帼创新新秀称号，上海市普陀区领军人才称号，上海市申万宏源奖。项目期间毕业博士生5人，硕士研究生5人，学生获国家奖学金、上海市优秀毕业生称号、首届全国光量子科学与技术学术会议最佳墙报奖、华东师范大学优秀博士论文和校优秀硕士论文，毕业后在上海交通大学、合肥工业大学、中北大学等高校工作，继续开展量子精密测量实验研究。