[發明專利]基于受激參量下轉換的測量裝置及量子增強相位測量方法

在審

• 申請號: 202210015333.6
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114166359A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 陸朝陽;覃儉;鄧宇皓;鐘翰森;何玉明;潘建偉
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張博

本公開提供了一種基于受激參量下轉換的測量裝置及量子增強相位測量方法。該裝置包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非線性晶體，用于對來自激光光源的初始泵浦光進行第一次受激參量下轉換和第二次受激參量下轉換；凹面反射鏡，用于將來自非線性晶體的第一參量光和第一泵浦光反射到平面鏡，并將來自平面鏡的第一參量光和第一泵浦光反射回非線性晶體；平面鏡，用于將來自凹面反射鏡的第一參量光和第一泵浦光反射回凹面反射鏡；楔形相位調節器，用于調節來自凹面反射鏡的第一泵浦光與第一參量光之間的相位；以及單光子探測器，用于對來自非線性晶體的第二參量光進行單光子閾值探測。

技術領域

本公開涉及量子信息處理技術領域，具體涉及量子精密測量和弱光探測領域，尤其涉及一種基于受激參量下轉換的測量裝置及量子增強相位測量方法。

背景技術

量子精密測量的目的在于利用量子系統提高對測量物理參數的測量精度。對測量物理參數的測量誤差，包括技術誤差和原理性誤差。測量物理參數的技術誤差是由測量過程中技術手段不完美引入的誤差，比如環境溫度變化帶來的噪聲。原理性誤差則是由于基本物理原理的限制產生的。最典型的例子是用Mach–Zehnder(MZ)干涉儀測量干涉儀兩臂之間的相位，在采用經典的激光輸入時，由于量子不確定性原理，輸出端口的光強必然存在泊松漲落，該漲落導致相位測量精度存在一個上限。具體來說，假設輸入激光的平均光子數為n，則相位誤差滿足這是在資源確定的情況下，通過經典資源(激光)能夠得到的最小誤差，稱為散粒噪聲極限。

如果引入量子糾纏等量子資源，則可以突破散粒噪聲極限。理論表明，對量子系統，最佳的相位估計滿足稱為海森堡極限。

要達到海森堡極限的一種典型的方式是基于NOON態，一種光子數最大糾纏態。盡管NOON態理論上可以達到海森堡極限，但是基于NOON態的相位測量有很大的局限性。一方面大光子數NOON態難以確定性制備；另一方面NOON態對光子損耗指數敏感，到目前為止僅在2光子NOON態上實現了無條件超越散粒噪聲極限。

發明內容

鑒于上述問題，本公開提供了一種基于受激參量下轉換的測量裝置及量子增強相位測量方法，用于實現達到海森堡極限的相位測量。

根據本公開的第一個方面，提供了一種基于受激參量下轉換的測量裝置，包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非線性晶體，用于對來自激光光源的初始泵浦光進行第一次受激參量下轉換，得到第一參量光和第一泵浦光，以及對來自凹面反射鏡的第一參量光和第一泵浦光進行第二次受激參量下轉換，得到第二參量光和第二泵浦光；凹面反射鏡，用于將來自非線性晶體的第一參量光和第一泵浦光反射到平面鏡，并將來自平面鏡的第一參量光和第一泵浦光反射回非線性晶體；平面鏡，用于將來自凹面反射鏡的第一參量光和第一泵浦光反射回凹面反射鏡；楔形相位調節器，用于調節來自凹面反射鏡的第一泵浦光與第一參量光之間的相位；以及單光子探測器，用于對來自非線性晶體的第二參量光進行單光子閾值探測。

根據本公開的實施例，包括：凹面反射鏡和平面鏡構成光學4f系統，凹面反射鏡和平面鏡之間的距離為凹面反射鏡的一倍焦距；凹面反射鏡和非線性晶體之間的距離為凹面反射鏡的一倍焦距。

根據本公開的實施例，包括：激光光源被配置為激光光源的光源口朝向非線性晶體，使得來自激光光源的初始泵浦光垂直入射非線性晶體。

根據本公開的實施例，還包括：雙色鏡，用于分離來自非線性晶體第二次受激參量下轉換產生的第二泵浦光和第二參量光；分束器，用于分離來自雙色鏡的不同偏振模式的第二參量光。

根據本公開的實施例，還包括：第一聚焦透鏡，第一聚焦透鏡設置于激光光源和非線性晶體之間，用于聚焦來自激光光源的初始泵浦光；以及第二聚焦透鏡，設置于分束器和雙色鏡之間，用于準直來自雙色鏡的第二參量光。

根據本公開的實施例，還包括：λ/4波片，λ/4波片設置于凹面反射鏡和平面鏡之間，用于保證受激參量下轉換過程不影響光譜解關聯。