量子关联增强的精密测量

Quantum enhanced metrology is an emerging new research direction. Predictably, it will be very important potential application in areas such as the quantum communication and quantum computation, quantum frequency scale, quantum positioning, and quantum imaging. Exploration and development the new principle and new technology on the basis of the quantum physics is not only a new technical challenges, and to promote some disciplines development such as quantum optics, atomic optics, atomic physics and so on, which has far-reaching significance. Based on these potential academic value and application background, the combination of quantum physics and precision measurement are high attention by scientists. Applicant presents the research on quantum correlation enhanced metrology based on the research accumulation, academic foundation and the recent research progress of all into consideration. This project will be based on the quantum theory of interaction between light and atoms, and develops the new precision measurement exploration and research based on quantum correlation as the core principle. Phase sensitive precision measuring scheme is put forward on the basis of the quantum enhancement. New methods of phase measurement accuracy to break through the restriction are found in principle. The success of this project will promote quantum optics, atomic optics, precision measurement physics and the development of quantum information science and other fields.

量子增强的精密测量是一个正在兴起的新的研究方向。可以预见，其在量子通信和量子计算、量子频标、量子定位、以及量子成像等领域将有非常重要的潜在应用前景。探索与开拓以量子物理为基础的精密测量新原理与新技术的研究不仅仅是技术的挑战，而且对促进一些学科如量子光学、原子光学、原子分子物理等的发展意义深远。正是基于这些潜在的学术价值与应用背景，量子物理与精密测量的结合正在受到科学家们的高度关注。申请人依据自己在这一新兴研究方向的研究积累、学术基础、以及最近的研究进展等诸方面考虑，提出开展量子关联增强的精密测量研究。本项目将以光与原子相互作用的量子理论为基础，开拓基于量子关联为核心的精密测量新原理的探索与研究。在此基础上提出量子增强的相位灵敏精密测量方案，从原理上找到突破制约相位测量精度的新方法。本项目的成功将推动量子光学、原子光学、精密测量物理乃至量子信息科学等领域的发展。

量子增强的精密测量是一个正在兴起的新的研究方向。以量子物理为基础的精密测量新原理与新技术的研究不仅仅是技术的挑战，而且对促进一些学科如量子光学、原子光学、原子分子物理等的发展意义深远。正是基于这些潜在的学术价值与应用背景，我们开展了量子关联增强的精密测量研究，主要研究内容包括光子与光子关联增强的精密测量，光子与原子关联增强的精密测量两个方面。 . 我们基于由非线性的分束过程与合束过程组成的非线性干涉仪[又称为SU(1,1)干涉仪]，首先研究得到压缩真空态和相干态在一定条件下，相位测量的灵敏度可以超过标准量子极限接近海森堡极限。理论上提出新的测量方法-零拍测量和宇称测量，测量精度都优于强度探测，而且比较得到了每种测量方法各自的优缺点。我们利用单参量的量子费歇尔信息（quantum Fisher information）的方法，得到了与测量方法无关的最终的测量极限。由于测量过程不可避免的与周围环境有相互作用，我们研究了光场损耗 (photon losses）环境与相位扩散(phase diffusion)环境对各种测量方法的影响，并且比较并获得了存在噪声损耗环境下不同测量方法在各自的特性。另一方面，基于SU(1,1)非线性干涉仪的原理，根据光和原子的关联的界面，提出了一种新型干涉仪，即SU(1,1)型的光与原子关联的干涉仪。该干涉仪既具有光学干涉仪的功能，能够测量光场相位敏感的物理量，又能测量原子相位敏感的物理量。理论上研究给出了该干涉仪进行强度探测和零拍探测的灵敏度和信噪比的最优条件。并且进一步给出存在光场损耗和原子消相位情形下，相位灵敏度突破标准量子极限的条件。最后研究了频率简并和非简并的关联光子对的制备，以及光和原子关联的制备和实现原子信息高效的读出。 .本项目的相关研究成果会对量子通信和量子计算、量子频标、量子定位、以及量子成像等领域将有非常重要的潜在应用前景。因此本项目的成果不仅为新型精密测量技术的发展开辟了道路，而且拓展与丰富了量子光学和原子与分子物理等领域的学科内容。