基于壓縮光與糾纏光的量子干涉精密測(cè)量及應(yīng)用

張永超,張鐵犁,高小強(qiáng),劉曉旭,徐永垚

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

量子精密測(cè)量技術(shù)作為新興的技術(shù)領(lǐng)域,相比于經(jīng)典測(cè)量方法對(duì)測(cè)量精度有較大提升,能夠較好的應(yīng)用于時(shí)間測(cè)量、重力測(cè)量和磁場(chǎng)測(cè)量等研究領(lǐng)域。當(dāng)前,由于受真空波動(dòng)的影響,傳統(tǒng)干涉儀的精確性受到了一定的限制。然而,隨著精密測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,一些新型的測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限(SQL)的精密測(cè)量,從而大大提高了其測(cè)量精確性[1]。量子精密測(cè)量技術(shù)通過(guò)量子態(tài)特性[2-3],可以實(shí)現(xiàn)突破SQL 的精密測(cè)量。采用基于線性干涉儀的量子干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行原理驗(yàn)證工作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)信噪比的提升,這對(duì)于未來(lái)突破SQL 的位移、角度、溫度以及氣體濃度等物理量的高靈敏度測(cè)量與實(shí)際測(cè)試應(yīng)用具有重要意義。隨著量子精密測(cè)量原理驗(yàn)證的不斷迭代與優(yōu)化,未來(lái)量子干涉精密測(cè)量技術(shù)將快速發(fā)展,逐漸形成的量子類(lèi)儀器如量子磁力計(jì)、量子鐘、量子引力計(jì)、量子重力梯度計(jì)、量子陀螺儀、量子加速度計(jì)以及量子雷達(dá)將逐漸走出試驗(yàn)室并走向產(chǎn)品化。然而,目前量子干涉儀中的各種噪聲阻礙了其性能的進(jìn)一步提升。文中將從基于糾纏態(tài)與壓縮態(tài)光源的干涉測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單介紹量子精密測(cè)量原理,并對(duì)其在引力波測(cè)量、氣體濃度檢測(cè)以及量子成像等方面的應(yīng)用做出介紹。

2 量子干涉測(cè)量原理

2.1 基于壓縮態(tài)光源的量子干涉測(cè)量原理

目前制備壓縮態(tài)光源的方法主要包括二階非線性過(guò)程中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)、四波混頻(FWM)。SPDC 過(guò)程中的泵浦光子進(jìn)入二階非線性晶體中,會(huì)分為信號(hào)光和閑頻光,并且根據(jù)是否有信號(hào)光注入,可以分為光學(xué)參量振蕩與光學(xué)參量放大技術(shù)。FWM 是由光與介質(zhì)之間發(fā)生非線性作用,第四個(gè)光場(chǎng)是通過(guò)三個(gè)光場(chǎng)之間的非線性作用產(chǎn)生。FWM 過(guò)程中產(chǎn)生了共軛光,非線性效應(yīng)使得探針光與共軛光的總光強(qiáng)增加,但由于它們的相對(duì)強(qiáng)度噪聲未增加,故在強(qiáng)度差上得到了壓縮。如圖1所示的馬赫-曾德?tīng)?MZ)干涉儀,光場(chǎng)a與b分別作為相干態(tài)光場(chǎng)與真空壓縮態(tài)光場(chǎng)進(jìn)行輸入,經(jīng)過(guò)分光棱鏡BS1 進(jìn)行功率等分后在干涉儀的兩臂中進(jìn)行傳輸,傳輸過(guò)程中引入的相位差為φ。在測(cè)量臂中加入需要待測(cè)量的物理參量,相位差φ會(huì)隨著待測(cè)物理參量的變化而改變。兩束光在分光棱鏡BS2 上干涉后形成輸出光場(chǎng)c和d,并被兩個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖1 量子增強(qiáng)型MZ 量子測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of quantum enhanced MZ quantum measurement

獲得待測(cè)信號(hào)的信噪比(SNR)定義為

式中:φ′——相位變化量;N——相干態(tài)光場(chǎng)的平均光子數(shù);e-r——真空態(tài)壓縮光場(chǎng)的正交相位起伏;α——相干態(tài)光場(chǎng)的平均場(chǎng);r——壓縮因子。

r=0 時(shí),對(duì)應(yīng)的注入場(chǎng)為真空態(tài),當(dāng)注入場(chǎng)由真空變?yōu)檎婵諌嚎s態(tài)光場(chǎng)時(shí),待測(cè)信號(hào)的SNR將隨著壓縮度的增加而增大[4]。因此,在MZ 的真空通道中注入真空壓縮態(tài)光場(chǎng),形成的量子增強(qiáng)型干涉儀將對(duì)待測(cè)信號(hào)的SNR有較大的增強(qiáng)。

2.2 基于糾纏態(tài)光源的非線性測(cè)量原理

試驗(yàn)上使用的量子糾纏源可以通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)、腔量子電動(dòng)力學(xué)法(QED)、核磁共振(NMR)系統(tǒng)等方法進(jìn)行制備。其中自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)是光子之間的糾纏,實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單易行,能夠產(chǎn)生良好的糾纏態(tài)光源。這里以基于SPDC制備糾纏態(tài)光源進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用非線性晶的二階非線性效應(yīng)產(chǎn)生糾纏態(tài),通過(guò)采用較高頻率的泵浦光入射非線性晶體,泵浦光子會(huì)分裂為信號(hào)光與閑頻光,這兩個(gè)光子具有關(guān)聯(lián)性,并且可以通過(guò)符合計(jì)數(shù)測(cè)量原理對(duì)測(cè)量光場(chǎng)的二階相干性進(jìn)行測(cè)量。但是受限于探測(cè)器的響應(yīng)速度,符合計(jì)數(shù)測(cè)量只能獲得皮秒量級(jí)的測(cè)量分辨率。為了進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率,可以結(jié)合光纖干涉儀進(jìn)行符合測(cè)量,目前的干涉儀結(jié)構(gòu)有HOM 干涉儀和MZ 干涉儀以及邁克爾遜干涉儀等。HOM 干涉儀與MZ 干涉儀分別適用于探測(cè)頻率反關(guān)聯(lián)與頻率正關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)的時(shí)間關(guān)聯(lián)特性,并在符合測(cè)量試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用,其示意圖如圖2 和圖3所示。

圖2 典型HOM 干涉儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of a typical HOM interferometer

圖3 典型MZ 干涉儀示意圖Fig.3 Schematic diagram of a typical MZ interferometer

3 主要應(yīng)用

3.1 微小位移與角度多參數(shù)同時(shí)測(cè)量應(yīng)用

量子弱測(cè)量作為一種量子增強(qiáng)測(cè)量技術(shù),能夠?qū)⒋郎y(cè)的微小物理量通過(guò)弱值放大技術(shù)提升其信噪比,從而使測(cè)量結(jié)果的精度大大提升。量子弱測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在光束偏轉(zhuǎn)、相位延遲以及頻率漂移等微小量的精確測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。如圖4 所示,研究人員在試驗(yàn)中使用了后選擇弱測(cè)量方法來(lái)抵抗技術(shù)噪聲,首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一光束的納米級(jí)橫向位移與納弧度級(jí)角向偏折的同時(shí)測(cè)量,其中的位置位移和角傾斜由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT)驅(qū)動(dòng)的反射鏡引入,最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.45 nm 和4.08 nrad 的測(cè)量精度[5]。

圖4 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of experimental device

3.2 引力波測(cè)量應(yīng)用

引力波作為當(dāng)前物理學(xué)研究的熱門(mén)領(lǐng)域,壓縮態(tài)量子光源的引入使其在測(cè)量精度上有了顯著提升。引力波探測(cè)主要通過(guò)激光的干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量臂與參考臂之間長(zhǎng)度差的測(cè)量。在測(cè)量臂與參考臂中,激光的多次反射會(huì)增加光傳播的有效光程。Carlton Caves 提出了使用壓縮光來(lái)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,該方法已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于引力波探測(cè)中。目前引力波探測(cè)系統(tǒng)LIGO 干涉儀中使用了壓縮態(tài)光,壓縮態(tài)使其對(duì)50 Hz 以上信號(hào)的靈敏度提高了3 dB。壓縮態(tài)的引入使得LIGO 干涉儀可以捕捉到更多的引力波,預(yù)期檢測(cè)率提高40%～50%[6],如圖5 所示。引力波探測(cè)器靈敏度的提升為探測(cè)以前無(wú)法探測(cè)到的新引力波源提供了新的方法與途徑,提高了探測(cè)更多空間信號(hào)(如來(lái)自超新星或者黑洞與中子星并合產(chǎn)生的引力)的能力。

圖5 LIGO 干涉儀的示意圖Fig.5 Schematic diagram of LIGO interferometer

3.3 氣體濃度檢測(cè)應(yīng)用

量子干涉測(cè)量技術(shù)能夠在幾百萬(wàn)分子和原子中探測(cè)到低至幾十個(gè)的低濃度粒子,這種超高靈敏度使其具有檢測(cè)干涉圖樣中的細(xì)微變化的能力。目前的紅外光學(xué)傳感器能夠?qū)Ψ肿觾?nèi)部運(yùn)動(dòng)的微小變化進(jìn)行超靈敏度檢測(cè),但受限于紅外區(qū)域光學(xué)材料,紅外光學(xué)傳感技術(shù)未能得到廣泛應(yīng)用。為了解決遇到的問(wèn)題,研究人員通過(guò)采用諸如非線性晶體、原子系綜以及非線性波導(dǎo)等量子干涉測(cè)量方法部分解決了這些問(wèn)題。圖6 給出了利用糾纏光子對(duì)氣室內(nèi)二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)裝置,系統(tǒng)利用兩塊SPDC 晶體替代了傳統(tǒng)的線性分束/合束器件,通過(guò)基于非線性晶體的SPDC 過(guò)程,結(jié)合光參量放大(OPA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化碳濃度的高準(zhǔn)確度檢測(cè),同時(shí)獲得了有關(guān)介質(zhì)折射率和吸收系數(shù)的準(zhǔn)確結(jié)果[7]。

圖6 基于糾纏光源的二氧化碳濃度測(cè)量裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of a CO2 concentration measurement device based on entangled light sources

圖7 給出了利用基于系列非線性晶體超晶格組成的單相干激光泵浦干涉儀系統(tǒng),該氣體傳感系統(tǒng)試驗(yàn)顯示出具有超高靈敏度[8]。量子干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)于推進(jìn)量子氣體傳感技術(shù)具有重要作用,為開(kāi)展量子態(tài)氣體傳感提出了新方法與思路。

圖7 基于非線性晶體超晶格的非線性干涉儀Fig.7 A nonlinear interferometer based on a nonlinear crystal superlattice

3.4 量子成像的應(yīng)用

量子干涉測(cè)量技術(shù)的原子長(zhǎng)度尺度及其相干特性使其具有超高的空間分辨率和靈敏度,在生物醫(yī)學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。圖8 顯示了研究人員利用基于糾纏光源的非線性干涉測(cè)量法,展示了高度多模量子非線性干涉儀的形成,以及使用中功率可見(jiàn)光激光器和標(biāo)準(zhǔn)CMOS 相機(jī)進(jìn)行中紅外顯微成像的試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得了覆蓋3.4～4.3 μm 的較寬波長(zhǎng)范圍的寬場(chǎng)成像,并在包含650 個(gè)分解元素的圖像獲得了35 μm 的空間分辨率[9]。此外,研究人員證明了他們的技術(shù)適用于在中紅外采集生物組織樣本的顯微圖像。

圖8 試驗(yàn)裝置和干擾圖像Fig.8 Experimental device and interference image

此外,基于量子光源的量子精密測(cè)量技術(shù)還能夠應(yīng)用于氣體折射率、溫度、速度等物理量的超精密測(cè)量中。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要是基礎(chǔ)科研、地質(zhì)監(jiān)測(cè)、氣候監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、遠(yuǎn)程制導(dǎo)、軍事反潛、能源勘探和精密授時(shí)等領(lǐng)域。一方面,基于量子壓縮的相干性測(cè)量技術(shù)主要通過(guò)量子體系的波動(dòng)特性,利用干涉原理對(duì)待測(cè)目標(biāo)引入的相位差進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)對(duì)相位差信號(hào)的解算獲得待測(cè)物理量的數(shù)值。該技術(shù)成熟度較高,并且由于其較高的測(cè)量精度,使其在定位制導(dǎo)、重力探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。另一方面,基于量子糾纏的測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于量子雷達(dá)和量子衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中,受限于糾纏量子態(tài)的制備與操控等技術(shù)未完全攻克,目前的研究仍處于原理驗(yàn)證階段,需要進(jìn)一步解決在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。目前的量子測(cè)量技術(shù)中,基于壓縮光與糾纏光測(cè)量技術(shù)研制的精密測(cè)量?jī)x器,普遍存在體積大、功耗高、集成化低以及實(shí)用性較差的缺點(diǎn),形成的研究成果基本處于原理性驗(yàn)證階段,并對(duì)工作環(huán)境具有極高的要求,難以向工程化與實(shí)用化的方向發(fā)展。未來(lái)需要對(duì)其進(jìn)行深入探索與研究,研制超高靈敏度、小型化、輕量化以及智能化的量子精密測(cè)量?jī)x器。隨著技術(shù)成熟和系統(tǒng)優(yōu)化,量子測(cè)量精度、穩(wěn)定度、環(huán)境適應(yīng)性、體積功耗等性能指標(biāo)將不斷提升。除了相對(duì)成熟的量子頻率基準(zhǔn)、量子磁力計(jì)、量子重力儀、量子陀螺儀和量子目標(biāo)識(shí)別五大方向,新技術(shù)方向和應(yīng)用也不斷涌現(xiàn),拓寬了技術(shù)路線,為更多物理量(如溫度、應(yīng)力等)的精密測(cè)量奠定了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。未來(lái),基于壓縮光與糾纏光測(cè)量技術(shù)的量子精密測(cè)量產(chǎn)業(yè)將沿著專(zhuān)用級(jí)(科研、國(guó)防)和工業(yè)級(jí)的方向發(fā)展,并進(jìn)一步提高其測(cè)量靈敏度與小型化水平。研究將量子陀螺儀與其他傳感器(如加速度計(jì)和磁力計(jì))集成的方法,以提供更完整的環(huán)境圖像;同時(shí)增強(qiáng)其魯棒性,以提高量子陀螺儀的可靠性和穩(wěn)定性,使其更能抵抗外部干擾和環(huán)境條件的變化。量子精密測(cè)量在理論與試驗(yàn)驗(yàn)證上已基本成熟,但是部分原理技術(shù)如量子糾纏態(tài)高效確定性的產(chǎn)生方法等方面仍有待攻克。

目前,量子測(cè)量相比于經(jīng)典測(cè)量有著更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用場(chǎng)景,基于壓縮光與糾纏光的量子精密測(cè)量技術(shù)以其高測(cè)量靈敏度,未來(lái)將在航空航天、基礎(chǔ)科研以及軍事裝備等高精尖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但是目前研制的量子傳感器存在體積大、工程化水平低以及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)使其未能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。量子精密測(cè)量技術(shù)在短期內(nèi)只能作為傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的一種增強(qiáng)和補(bǔ)充,距離實(shí)際應(yīng)用還有較多的技術(shù)問(wèn)題需要攻克。