新型非线性干涉仪量子特性的实验研究

Precision measurement is an eternal topic of physics and optical interferometer is an effective tool for realizing precision measurement. The development of optical interferometer continuously push the physics forward.The sensitivity of the conventional optical interferometer is limited by the quantum fluctuations of the optical fields.Thus it is possible to beat the standard quantum limit by seeding quantum state into the interferometer to surpress the quantum noise. Another way to beat the standard quantum limit is to change the structure of the interferometer by replacing the traditional beamsplitter with the nonlinear process and thus realizing a nonlinear interferometer.In this proposal, we will fully study the quantum properties of the nonlinear interferometer based on our previous experimental studies of quantum light sources and the classical properties of the nonlinear interferometer. It will include that quantum measurment of the phase sensitivity of the nonlinear interferometer, experimental demonstration of the increasing of the phase sensitivity due to the gain of the nonlinear process and further increasing of the phase sensitivity due to the quantum noise surpressing by seeding the experimentally prepared quantum entangled beams into the nonlinear interferometer.Finally, we will experimentally realize a nonlinear interferometer with ultra-sensitive resolution under the coordinate manipulation of both quantum state seeding and nonlinear gain process.

精密测量是物理学中永恒的话题，光学干涉仪是实现精密测量的非常有效的工具，而反过来光学干涉仪的发展也不断推动物理学的前进。传统光学干涉仪的灵敏度受限于光场的量子涨落，因此通过注入量子态来抑制系统的量子噪声可以使光学干涉仪突破标准量子极限。而另一种使干涉仪灵敏度突破标准量子极限的方案是从根本上改变干涉仪的硬件结构，用非线性过程代替传统光学干涉仪中的光学分束器，从而实现非线性干涉仪。本项目计划在我们前期对量子光源和非线性干涉仪经典特性实验研究的基础上，充分利用已积累的相关实验技术，开展非线性干涉仪量子特性的实验研究，将主要包括对非线性干涉仪的灵敏度进行量子检测，演示由于系统非线性增益所带来的相位灵敏度的大幅度提高。在此基础上，把预先制备好的量子纠缠关联光束对注入非线性干涉仪，通过降低量子噪声水平的办法进一步提高干涉仪的灵敏度，最终实现量子态注入和非线性增益过程协同操控下的超高灵敏度非线性干涉仪。

测量是物理学的核心，不断提高测量精度一直是物理学家的追求，也是物理学中永恒的话题，然而量子力学中最基本的不确定性原理限制了物理量测量的精度。量子精密测量就是要利用量子力学的基本规律寻求更精密的测量手段，是量子技术重要的应用领域。因此我们开展了基于量子光源的新型量子关联干涉仪的相关研究。主要研究进展包括以下两大部分：非线性干涉仪的量子特性及新型非线性干涉仪的相关研究以及非线性干涉仪中新的物理机制的研究。我们首先研究非线性干涉仪与线性干涉仪对比在信噪比上有明显的量子增强，获得了4dB的信噪比增强。开展了非线性干涉仪中量子纠缠放大的实验研究，发展了一种新型的非线性—线性混合型干涉仪，并且提出了一种新型量子Sagnac干涉仪的理论方案。此外为了干涉仪的实际应用，我们研究了损耗对非线性干涉仪性能的影响，同时开展了非线性干涉仪相位锁定的实验研究，稳定地将干涉仪锁定在干涉极大以及干涉极小。提出了一种新型双模相敏放大非线性干涉仪的理论并且开展了相关实验研究。此外在这些研究基础上，我们开展了一些延展性的相关研究，例如开展了可用于构建多通道非线性干涉仪的多光束量子关联产生装置的理论和实验研究。我们利用两个四波混频过程的级联结构，在实验上产生了三束量子关联的光束，并且证明它们之间的关联大于两束之间的量子关联，因此我们的实验演示了一种可以扩展的量子关联光束产生系统。在此基础上，我们又提出了两个原子系综串并联相结合的级联四波混频方案。受到上述四波混频空间复用概念的启发，我们研究了单个原子样品池中，利用一个锥形光束泵浦原子系综，实现轴向探针光束放大和锥形共轭光束产生的多模四波混频过程 。此外，我们提出了一种利用单原子样品池，通过调控泵浦光直接产生多光束量子关联的方案，并且在实验上观察到了六光束量子关联。我们的相关研究对于理解非线性干涉仪的量子物理机制以及实际应用有着重要的意义。