[發(fā)明專(zhuān)利]基于強(qiáng)弱聯(lián)合測(cè)量的光脈沖特性快速探測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510184490.X
• 申請(qǐng)日: 2015-04-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104880257B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳希;張明;戴宏毅;魏家華
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01J11/00
• 分類(lèi)號(hào): G01J11/00
• 代理公司: 國(guó)防科技大學(xué)專(zhuān)利服務(wù)中心43202
• 代理人: 王文惠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測(cè)量光脈沖特性的探測(cè)器。本發(fā)明是一個(gè)用于探測(cè)光脈沖量子態(tài)的系統(tǒng)，其特點(diǎn)是結(jié)合使用強(qiáng)測(cè)量和弱測(cè)量方法，并且可以快速得到測(cè)量結(jié)果。

背景技術(shù)

在量子力學(xué)中，一般認(rèn)為單個(gè)粒子的量子態(tài)，原則上不可用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。然而，測(cè)量通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)制備的由許多粒子組成的系綜的量子態(tài)是有意義的而且是必要的。單光子探測(cè)是弱光測(cè)量技術(shù)的核心，在量子信息領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用。然而，傳統(tǒng)的以光電倍增管或雪崩二極管為基礎(chǔ)的單光子探測(cè)器的輸出只是光子的計(jì)數(shù)值，而非光子的量子態(tài)，這限制了該探測(cè)器的使用范圍。另外，目前存在可測(cè)量單光子的Wigner函數(shù)的探測(cè)器，而Wigner函數(shù)與波函數(shù)等價(jià)，波函數(shù)是描述純態(tài)形式的量子態(tài)的一種方式，從而該探測(cè)器可以獲取單光子的純態(tài)形式的量子態(tài)。

單光子量子態(tài)若限制在有限的時(shí)間和空間分布內(nèi)，則表現(xiàn)為一個(gè)光脈沖。測(cè)量光脈沖的量子態(tài)是一個(gè)十分重要的課題，其有效途徑之一是借助線性光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)元器件。因?yàn)樵撓到y(tǒng)無(wú)需真空或絕對(duì)零度等極端條件就能展現(xiàn)量子特性，且設(shè)備成熟，觀測(cè)效果明顯，并且現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)已非常豐富。

目前已經(jīng)存在結(jié)合使用強(qiáng)測(cè)量和弱測(cè)量技術(shù)，探測(cè)光脈沖量子態(tài)的方法。強(qiáng)測(cè)量一般是指使被測(cè)系統(tǒng)的量子狀態(tài)塌縮的測(cè)量，例如投影測(cè)量、POVM(Positive-Operator Valued Measure，正算符值測(cè)量)等。傳統(tǒng)的投影測(cè)量的特點(diǎn)是被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器的耦合程度高，經(jīng)測(cè)量后，被測(cè)系統(tǒng)會(huì)塌縮至測(cè)量算子的本征態(tài)之一，測(cè)量?jī)x器呈現(xiàn)出與該本征態(tài)相對(duì)應(yīng)的本征值。POVM需要利用投影測(cè)量的部分結(jié)果，所以該測(cè)量也會(huì)使量子狀態(tài)塌縮。然而，弱測(cè)量與強(qiáng)測(cè)量方式不一樣，其特點(diǎn)是被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器的耦合程度低，經(jīng)測(cè)量后，被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)不會(huì)塌縮。利用弱測(cè)量和強(qiáng)測(cè)量相結(jié)合的方式探測(cè)光脈沖量子態(tài)的優(yōu)勢(shì)在于，可同時(shí)得到相對(duì)精確的不對(duì)易物理量的觀測(cè)值，這是僅僅使用強(qiáng)測(cè)量方式所無(wú)法完成的。

現(xiàn)有的結(jié)合使用弱測(cè)量和強(qiáng)測(cè)量技術(shù)，探測(cè)光脈沖量子態(tài)的方案可查閱文獻(xiàn)Jeff S.Lundeen,Brandon Sutherland,Aabid Patel,Corey Stewart,Charles Bamber.Direct measurement of the quantum wavefunction[J].Nature,2011,474:188-191和Charles Bamber,Jeff S.Lundeen.Observing dirac’s classical phase space analog to the quantum state[J].Physical Review Letters,2014,112:070405。上述文獻(xiàn)公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)方案包括一個(gè)光脈沖調(diào)節(jié)裝置、一個(gè)弱測(cè)量裝置、一個(gè)強(qiáng)測(cè)量裝置、一個(gè)信息讀取裝置，待測(cè)量的光脈沖依次經(jīng)過(guò)上述裝置，最后得到測(cè)量結(jié)果。現(xiàn)有技術(shù)方案的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠有效探測(cè)光脈沖量子態(tài)，但測(cè)量過(guò)程需要頻繁調(diào)整光路，獲取最終結(jié)果的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。現(xiàn)有技術(shù)采用的方法是，首先，在信息讀取環(huán)節(jié)，一個(gè)測(cè)量時(shí)間段僅記錄一個(gè)投影方向的結(jié)果，通過(guò)四次調(diào)整投影測(cè)量的方向，得到所需的四個(gè)不同測(cè)量基下的數(shù)據(jù)；其次，經(jīng)過(guò)上述四次調(diào)整投影方向得到的數(shù)據(jù)僅代表光脈沖直線分布上一個(gè)點(diǎn)的量子態(tài)，還需通過(guò)不斷移動(dòng)執(zhí)行弱測(cè)量的元器件位置，得到對(duì)應(yīng)于直線上其它點(diǎn)的數(shù)據(jù)，才能最終獲得光脈沖量子態(tài)的一維直線分布結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的測(cè)量過(guò)程繁瑣，獲取信息時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，在測(cè)量精度變化不大的情況下，避免探測(cè)系統(tǒng)的光路頻繁調(diào)整，大大縮短獲取光脈沖量子態(tài)的時(shí)間。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：