位移与倾角的量子精密测量

Displacement and tilt measurement is one of important quantum precision measurements. It plays an important role in precision micro-operation areas，such as the control of atomic force microscopy, alignment of gravitational wave interferometer, gravity constant measurement with torsion balance, high-precision manufacture and national defence. With the help of quantum optical sources，quantum noise in optical system can be suppressed and measurement precision will be improved. On the other hand, high-order transverse mode light beams with special profile distribution are efficient tools of displacement and tilt measurement. To maximally enhance the measurement precision, it is a good choice to combine the advantages of squeezed state and high-order transverse modes and possible to beyond shot noise limit. Experimentally, we will firstly generate continuous variable squeezed state of high-orde mode, for example HG50 mode, with self-made high-order mode optical parametric oscillators, and then obtain high-order spatially squeezed light. With the high-order spatially squeezed light, we will raelize the sub-angstrom spatial displacement and sub-nanoradian tilt measurement, and the signal-to-noise ratio of 8dB is improved compared with general fundemental mode. Furthermore, we study also the quantum measurements of high-order LG modes and the applications of hyperentanglement in the quantum information and measurement.

光束的位移和转角测量是量子精密测量的重要内容之一，其在原子力显微镜控制、引力波干涉仪准直、扭称法测重力常数以及高精密工业制造和国防等一些精密微操控领域中有重要作用。借助量子光源可以突破相应的量子噪声的制约，提高测量精度。另一方面，具有空间特殊分布的高阶横模光场是开展位移与转角测量的有效工具。为了最大程度的提高测量精度，拟结合光场压缩态和高阶横模光场的优势，开展超越散粒噪声极限的平移和倾角测量的研究。实验上首先基于自主设计的高阶横模光学参量振荡器产生连续变量高阶横模压缩态，获得高阶空间压缩态光场；然后将产生的高阶空间压缩态光场用于空间小位移和转角测量中。最终获得HG50高阶横模压缩态，使测量信噪比较基于基模的标准量子噪声极限提高8dB，位移测量精度达到亚埃量级，转角测量精度达到亚纳弧度量级。同时，进一步扩展研究高阶LG模的量子测量高维纠缠及其在量子信息与测量中的应用。

光束的位移和转角测量是量子精密测量的重要内容之一，其在原子力显微镜控制、引力波干涉仪准直、扭称法测重力常数以及高精密工业制造和国防等一些精密微操控领域中有重要作用。借助量子光源可以突破相应的量子噪声的制约，实现突破散粒噪声极限的测量，提高测量精度。另一方面，相较于基模高斯光场，具有空间特殊分布的高阶横模光场可以更有效的实现位移与转角测量。本项目结合光场压缩态和高阶横模光场的优势，开展了超越散粒噪声极限的微小平移和倾角高精密测量研究。实验上首先利用双空间调制器实现了高效任意模式制备并应用于高阶空间模压缩光制备，原则上实现了任意模式压缩纠缠光制备。同时，基于自主设计的高阶横模光学参量振荡器产生连续变量高阶横模压缩态；利用高阶空间压缩态光场及其平衡零拍探测装置实现空间小位移和转角测量中。最终实验获得了HG50高阶横模压缩态，使位移与倾角测量信噪比较基于基模的标准量子噪声极限提高8dB，位移测量精度达到了亚埃量级，转角测量精度达到了亚纳弧度量级。同时，进一步扩展研究了高阶LG模的量子测量、高维纠缠及其在量子信息与测量中的应用。