上海交通大学张卫平团队实现激光干涉仪的量子超越

技术研究上海交通大学 2022-02-20 14:23

上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平教授团队在量子精密测量研究方面取得重要进展，实现了激光干涉仪的量子超越。该团队利用其发展的量子关联干涉技术与激光干涉仪巧妙结合，构建一种新型嵌套式量子干涉仪，突破目前干涉技术极限，发展了相位高灵敏量子精密测量新方法。该方法重要的创新在于既兼容了现有激光干涉仪的优点，又融合了光量子关联增强的量子优势，同时还具备对环境损耗的高度容忍，为开拓真正有应用价值的量子技术迈出了重要的一步。相关研究成果近日以“SU(2)-in-SU(1,1) Nested Interferometer for High Sensitivity, Loss-Tolerant Quantum Metrology”为题发表在《物理评论快报》上。

众所周知，作为高度相干的光源，激光的发明导致了精密测量技术的革命性发展。取代传统的测量方法，激光干涉仪自诞生那一天开始，就一直在科学探索、工业与国防应用中独领风骚。最著名的例子是激光干涉引力波探测器（LIGO）。然而，由于激光起源于真空放大，其光子统计展现出泊松分布。因此，当用激光去探测相位信号时，光子对相位的敏感也是统计涨落的。根据量子光学，这种统计涨落对干涉仪相位测量灵敏度施加一个物理极限—通常称为标准量子极限（SQL）。

怎样突破激光干涉仪的SQL，一直是量子光学与量子计量学领域期待解决的一个重大科学问题。随着量子光学的发展，一种“压缩光”的量子光源应运产生，并被建议应用于LIGO系统，以增强引力波引起的微弱相位信号的灵敏探测。尽管这种技术原理上能有效地压缩真空量子噪声，实现相位灵敏度的量子增强，然而，与其它量子技术相似，量子压缩非常脆弱，极易受到外界环境损耗的退相干性破坏，从而不能有效地展现量子增强优势。

针对领域的这一重大瓶颈，张卫平教授带领团队长期潜心攻关，致力推动量子光学、原子光学与量子精密测量交叉融合，系统地发展了光与原子量子操控及光-原子量子关联与联合探测技术，并在此基础上，成功实现静音光量子放大器 (Phys. Rev.Lett. 111, 033608, 2013)。同时，运用量子放大器“无噪声放大”原理，构建光量子关联干涉仪(Nature Communications 5, 3049, 2014)，成功突破传统干涉仪的SQL。研究工作入选美国光学学会2014年全球光学成果，获2017年中国物理学会饶毓泰物理奖、2020年上海市自然科学一等奖。

这次发表的工作，是在前期研究基础上，对量子压缩技术在实际环境损耗中的局限性的一次技术突破。将激光线性干涉仪与非线性量子放大器巧妙地结合，用经过线性干涉仪中的光子完成相位敏感操作，再利用量子放大器的量子关联特性提取并放大相位信号，同时保持噪声不被放大，从而实现一种兼备信号放大、噪声抑制，且损耗容忍为一体的新技术（图1）。

上海交通大学张卫平团队实现激光干涉仪的量子超越 — 图1. 嵌套式量子干涉仪及信噪比实验结果

张卫平教授形象地形容为“鱼与熊掌可同时兼得的”量子增强技术。与“压缩光”不同，新方法即使在环境损耗中损失大部分光子，比如低效率光子探测器，干涉仪路径存在较大损耗时，依然可以保持量子增强特性。在图2中，给出了这种干涉仪和压缩光干涉仪输出量子态的信号和噪声随着环境损耗演化的实验对比。原理上，这种量子技术可以拓展到LIGO引力波探测器等大型精密测量仪器中，进一步提升绝对灵敏度。