“光-原子”体系精密测量中的量子噪声机制及噪声抑制新方法

Atoms are nature’s most sensitive measurement devices, and their strong optical responses to external fields enable both precision measurements of fundamental constants as well as realization of practical devices for detection of electric and magnetic fields. The sensitivity of such sensors is ultimately limited by quantum noises on light, which include photon shot noise and also excess quantum noise originated from atom-light interaction. The latter is not well understood so far. Meanwhile, there is a lack of general methods for suppressing classical noises. In this proposal, we put forward novel means to suppress above noises, and plan to demonstrate atomic magnetometer with sensitivity of 1fT/Hz1/2 or better and surpass the standard quantum noise limit. Specifically, we propose weak-measurement based methods for atom-light interaction and light detection to enhance the signal to noise ratio; and for excess quantum noise suppression, we will design an all-optical quantum erasure, and also use self-squeezing to achieve sensitivity below the photon shot noise limit. Our atomic magnetometer has practical advantages as it only uses room-temperature vapor cell and a single weak laser beam. Our proposed new mechanisms for noise suppression should have an impact on a wide range of atomic optical sensors since the presented excess noise occurs in a relatively general atom-light interaction process.

精密测量领域的很多实验都基于光和原子相互作用的系统，于是光上的量子噪声成为测量的基本极限之一。除了光本身的散粒噪声，光和原子耦合之后产生的额外量子噪声是一种重要但尚未被充分认识的噪声来源。同时，在经典噪声的抑制方面，也缺乏具有普遍性指导意义的噪声抑制方法。本项目针对这一现状，在我们前期的实验和理论研究基础上，提出分别能抑制经典和量子噪声的新方法，并拟在实验上实现突破光的散粒噪声极限的1fT/Hz1/2或以下的灵敏原子磁力计。 对经典噪声，我们提出用弱测量的哈密顿量和检测方法进行信噪比的放大；对额外量子噪声，我们提出采用全光量子擦除和自压缩的新原理进行抑制并突破标准量子极限。我们还将发展基于常温原子气和单束弱光的新型简单的高灵敏度原子磁力计实验系统。本项目将给精密测量领域提供若干抑制经典和量子噪声的新物理思想和技术，从中发展出来的量子操控技术还能丰富量子光学和精密测量等学科的内容。

该项目选取“光-原子”体系精密测量中的量子噪声机制及其抑制新方法为研究主题，紧密围绕“精密测量物理”国家重大研究计划的总体目标，取得了一系列处于国际前沿的重要研究成果。在具体研究过程中，既有对量子噪声过程等精密测量中基本物理规律的研究，又有更进一步利用弱测量以及过去量子态等对噪声进行操控和抑制等精密测量新技术的研究，实现了fT/Hz^1/2级别的近直流原子磁力计，接近光的散粒噪声极限下的灵敏度。同时，利用原子压缩态，实现了灵敏度为33fT/Hz1/2的射频磁场的灵敏度，突破了标准量子极限。 成果主要包括：.1..实现了基于弱测量原理的飞特斯拉、低频原子磁力计。发展并完善了新型的弱测量理论，提出了新的测量方法，有效地放大了待测信号。实验上获得低频磁场测量灵敏度7 fT/Hz1/2，已经接近本体系的光量子极限下的理论灵敏度3 fT/Hz^1/2。.2..提出了新型自旋压缩的方案：量子噪声擦除和弱测量。提出了一种适用于自由空间（没有光学腔），适用于冷原子和原子蒸气池体系的双轴扭曲自旋压缩方法；提出了在小的耦合强度下，可以用弱测量的方法进行有效的自旋压缩。.3..实验实现了10^11个原子系综的自旋压缩态。是迄今国际上所有自旋压缩态中原子数最多的，比之前最大的自旋压缩态的原子数目高三个数量级，也是迄今所有压缩态中对原子态的相位分辨度最好的，为1.3微弧度。所发展的宏观原子蒸气池中自旋压缩的普适性技术为人们实现大量子体系甚至宏观物体的量子调控和量子精密测量铺平了道路。.4..实验证明可以用过去量子态实现和提高自旋压缩。将过去量子态的理论方案在实验中实施，发现在总测量时间相同的情况下，过去量子态的三脉冲方案比传统的基于测量的自旋压缩的两脉冲方案给出更高的压缩度。.5..基于原子自旋压缩实现了射频磁力计。基于上述压缩方案，我们演示了射频磁场（频率约550 kHz）的测量，获得了等同于33fT/Hz^1/2的灵敏度，好于该系统标准量子极限下的灵敏度43fT/Hz^1/2。