基于壓縮光與糾纏光的量子干涉精密測量及應用

張永超,張鐵犁,高小強,劉曉旭,徐永垚

(北京航天計量測試技術研究所,北京 100076)

1 引言

量子精密測量技術作為新興的技術領域,相比于經典測量方法對測量精度有較大提升,能夠較好的應用于時間測量、重力測量和磁場測量等研究領域。當前,由于受真空波動的影響,傳統干涉儀的精確性受到了一定的限制。然而,隨著精密測量技術的進步,一些新型的測量系統已經可以實現突破標準量子極限(SQL)的精密測量,從而大大提高了其測量精確性[1]。量子精密測量技術通過量子態特性[2-3],可以實現突破SQL 的精密測量。采用基于線性干涉儀的量子干涉測量技術進行原理驗證工作,進而實現相位信號信噪比的提升,這對于未來突破SQL 的位移、角度、溫度以及氣體濃度等物理量的高靈敏度測量與實際測試應用具有重要意義。隨著量子精密測量原理驗證的不斷迭代與優化,未來量子干涉精密測量技術將快速發展,逐漸形成的量子類儀器如量子磁力計、量子鐘、量子引力計、量子重力梯度計、量子陀螺儀、量子加速度計以及量子雷達將逐漸走出試驗室并走向產品化。然而,目前量子干涉儀中的各種噪聲阻礙了其性能的進一步提升。文中將從基于糾纏態與壓縮態光源的干涉測量技術簡單介紹量子精密測量原理,并對其在引力波測量、氣體濃度檢測以及量子成像等方面的應用做出介紹。

2 量子干涉測量原理

2.1 基于壓縮態光源的量子干涉測量原理

目前制備壓縮態光源的方法主要包括二階非線性過程中的自發參量下轉換(SPDC)、四波混頻(FWM)。SPDC 過程中的泵浦光子進入二階非線性晶體中,會分為信號光和閑頻光,并且根據是否有信號光注入,可以分為光學參量振蕩與光學參量放大技術。FWM 是由光與介質之間發生非線性作用,第四個光場是通過三個光場之間的非線性作用產生。FWM 過程中產生了共軛光,非線性效應使得探針光與共軛光的總光強增加,但由于它們的相對強度噪聲未增加,故在強度差上得到了壓縮。如圖1所示的馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀,光場a與b分別作為相干態光場與真空壓縮態光場進行輸入,經過分光棱鏡BS1 進行功率等分后在干涉儀的兩臂中進行傳輸,傳輸過程中引入的相位差為φ。在測量臂中加入需要待測量的物理參量,相位差φ會隨著待測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c和d,并被兩個光電探測器進行探測接收后轉換為電信號。

圖1 量子增強型MZ 量子測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of quantum enhanced MZ quantum measurement

獲得待測信號的信噪比(SNR)定義為

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

r=0 時,對應的注入場為真空態,當注入場由真空變為真空壓縮態光場時,待測信號的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光場,形成的量子增強型干涉儀將對待測信號的SNR有較大的增強。

2.2 基于糾纏態光源的非線性測量原理

試驗上使用的量子糾纏源可以通過自發參量下轉換(SPDC)、腔量子電動力學法(QED)、核磁共振(NMR)系統等方法進行制備。其中自發參量下轉換技術是光子之間的糾纏,實現起來簡單易行,能夠產生良好的糾纏態光源。這里以基于SPDC制備糾纏態光源進行簡單介紹。自發參量下轉換技術是利用非線性晶的二階非線性效應產生糾纏態,通過采用較高頻率的泵浦光入射非線性晶體,泵浦光子會分裂為信號光與閑頻光,這兩個光子具有關聯性,并且可以通過符合計數測量原理對測量光場的二階相干性進行測量。但是受限于探測器的響應速度,符合計數測量只能獲得皮秒量級的測量分辨率。為了進一步提高測量分辨率,可以結合光纖干涉儀進行符合測量,目前的干涉儀結構有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頻率反關聯與頻率正關聯雙光子態的時間關聯特性,并在符合測量試驗中進行應用,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 主要應用

3.1 微小位移與角度多參數同時測量應用

量子弱測量作為一種量子增強測量技術,能夠將待測的微小物理量通過弱值放大技術提升其信噪比,從而使測量結果的精度大大提升。量子弱測量技術已經在光束偏轉、相位延遲以及頻率漂移等微小量的精確測量中得到廣泛應用。如圖4 所示,研究人員在試驗中使用了后選擇弱測量方法來抵抗技術噪聲,首次實現了對同一光束的納米級橫向位移與納弧度級角向偏折的同時測量,其中的位置位移和角傾斜由壓電陶瓷驅動器(PZT)驅動的反射鏡引入,最終實現了高達1.45 nm 和4.08 nrad 的測量精度[5]。

圖4 試驗裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of experimental device

3.2 引力波測量應用

引力波作為當前物理學研究的熱門領域,壓縮態量子光源的引入使其在測量精度上有了顯著提升。引力波探測主要通過激光的干涉效應實現測量臂與參考臂之間長度差的測量。在測量臂與參考臂中,激光的多次反射會增加光傳播的有效光程。Carlton Caves 提出了使用壓縮光來突破標準量子極限,該方法已經實際應用于引力波探測中。目前引力波探測系統LIGO 干涉儀中使用了壓縮態光,壓縮態使其對50 Hz 以上信號的靈敏度提高了3 dB。壓縮態的引入使得LIGO 干涉儀可以捕捉到更多的引力波,預期檢測率提高40%～50%[6],如圖5 所示。引力波探測器靈敏度的提升為探測以前無法探測到的新引力波源提供了新的方法與途徑,提高了探測更多空間信號(如來自超新星或者黑洞與中子星并合產生的引力)的能力。

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

3.3 氣體濃度檢測應用

量子干涉測量技術能夠在幾百萬分子和原子中探測到低至幾十個的低濃度粒子,這種超高靈敏度使其具有檢測干涉圖樣中的細微變化的能力。目前的紅外光學傳感器能夠對分子內部運動的微小變化進行超靈敏度檢測,但受限于紅外區域光學材料,紅外光學傳感技術未能得到廣泛應用。為了解決遇到的問題,研究人員通過采用諸如非線性晶體、原子系綜以及非線性波導等量子干涉測量方法部分解決了這些問題。圖6 給出了利用糾纏光子對氣室內二氧化碳濃度進行測量的試驗裝置,系統利用兩塊SPDC 晶體替代了傳統的線性分束/合束器件,通過基于非線性晶體的SPDC 過程,結合光參量放大(OPA)技術實現了對二氧化碳濃度的高準確度檢測,同時獲得了有關介質折射率和吸收系數的準確結果[7]。

圖6 基于糾纏光源的二氧化碳濃度測量裝置示意圖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,該氣體傳感系統試驗顯示出具有超高靈敏度[8]。量子干涉測量技術對于推進量子氣體傳感技術具有重要作用,為開展量子態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 量子成像的應用

量子干涉測量技術的原子長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,在生物醫學中具有廣闊的應用前景。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光激光器和標準CMOS 相機進行中紅外顯微成像的試驗。試驗獲得了覆蓋3.4～4.3 μm 的較寬波長范圍的寬場成像,并在包含650 個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適用于在中紅外采集生物組織樣本的顯微圖像。

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

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

4 結束語

目前量子測量技術應用領域主要是基礎科研、地質監測、氣候監測、生物醫學檢測、遠程制導、軍事反潛、能源勘探和精密授時等領域。一方面,基于量子壓縮的相干性測量技術主要通過量子體系的波動特性,利用干涉原理對待測目標引入的相位差進行測量,通過對相位差信號的解算獲得待測物理量的數值。該技術成熟度較高,并且由于其較高的測量精度,使其在定位制導、重力探測等領域得到廣泛應用。另一方面,基于量子糾纏的測量技術主要應用于量子雷達和量子衛星導航領域中,受限于糾纏量子態的制備與操控等技術未完全攻克,目前的研究仍處于原理驗證階段,需要進一步解決在實際場景應用中遇到的問題。目前的量子測量技術中,基于壓縮光與糾纏光測量技術研制的精密測量儀器,普遍存在體積大、功耗高、集成化低以及實用性較差的缺點,形成的研究成果基本處于原理性驗證階段,并對工作環境具有極高的要求,難以向工程化與實用化的方向發展。未來需要對其進行深入探索與研究,研制超高靈敏度、小型化、輕量化以及智能化的量子精密測量儀器。隨著技術成熟和系統優化,量子測量精度、穩定度、環境適應性、體積功耗等性能指標將不斷提升。除了相對成熟的量子頻率基準、量子磁力計、量子重力儀、量子陀螺儀和量子目標識別五大方向,新技術方向和應用也不斷涌現,拓寬了技術路線,為更多物理量(如溫度、應力等)的精密測量奠定了理論和試驗基礎。未來,基于壓縮光與糾纏光測量技術的量子精密測量產業將沿著專用級(科研、國防)和工業級的方向發展,并進一步提高其測量靈敏度與小型化水平。研究將量子陀螺儀與其他傳感器(如加速度計和磁力計)集成的方法,以提供更完整的環境圖像;同時增強其魯棒性,以提高量子陀螺儀的可靠性和穩定性,使其更能抵抗外部干擾和環境條件的變化。量子精密測量在理論與試驗驗證上已基本成熟,但是部分原理技術如量子糾纏態高效確定性的產生方法等方面仍有待攻克。

目前,量子測量相比于經典測量有著更加廣闊的應用領域與應用場景,基于壓縮光與糾纏光的量子精密測量技術以其高測量靈敏度,未來將在航空航天、基礎科研以及軍事裝備等高精尖領域得到廣泛應用,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定性差等缺點使其未能得到大規模推廣應用。量子精密測量技術在短期內只能作為傳統測量技術的一種增強和補充,距離實際應用還有較多的技術問題需要攻克。