有损情况下基于光-原子混合干涉仪的量子无损测量
发布时间：2021-02-03 15:32
精密测量在物理学研究中非常重要,主要应用于精确测量各种物理量。但是其测量精度在经典范围内受到了标准量子极限的限制。为了提升测量精度,科学家们提出了量子精密测量。量子精密测量大多数的研究都集中在如何减小噪声,而量子无损测量可以避免测量中引入“back‐action”噪声,从而突破标准量子极限。干涉仪是实现量子无损测量的一种重要的方式。近两年,光‐原子混合SU（1,1）干涉仪受到了很大的关注。因为干涉仪的两个干涉臂分别是光和原子,两臂之间具有量子关联,可以突破标准量子极限,并且测量的范围也更广。于是有人提出基于光‐原子混合SU（1,1）干涉仪进行量子无损测量并得到了不错的结果。但是该工作没有考虑损耗对于该量子无损测量系统的影响。损耗在实验中无法避免,且会对实验结果产生很大的影响。针对这个情况,我们做了如下的工作:首先我们提出损耗情况下的光‐原子混合干涉仪对未知光场的光子数进行量子无损测量的理论模型。根据损耗情况下的干涉仪的输入输出关系,结合量子无损测量的判据,得到了该量子无损测量系统判据的理论公式。其次,我们分别代入了热原子系统和冷原子系统的实际的实验条件,重点分析当干涉仪存在各类损耗时,...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全光马赫-曾德干涉仪工作原理图，其中是相敏光强，LO是平衡零拍探测所需要的本地振荡光，引自[9]
华东师范大学硕士学位论文8光场的相位正交算符。之后可以采取包括四波混频等手段将其中一个分量的噪声压缩，而与此同时根据不确定性原理，另外一个正交分量的噪声将会相应的增加。通过这样的操作，在我们关注的这个分量上，噪声得到了降低，这就是压缩态。理论上这种方法可以将干涉仪的灵敏度提升到1//[15]。2.2.2原子SU(2)干涉仪通过德拜的物质波理论我们知道，波动性并不是光波所独有的性质，所以干涉其实不仅仅局限于光波干涉这一种形式。1991年，第一个中性原子物质波干涉仪16被设计出来之后，原子干涉设备的发展便变得十分的迅猛，被广泛的应用于很多基础物理量的测量上，尤其是重力系数g的测量。图（2.2）是一个典型的马赫‐曾德原子干涉仪的示意图： 图2.2：马赫-曾德原子干涉仪的示意图，引自[17]类似于全光干涉仪，原子干涉仪的要素也是源和操作波的手段。让我们先从源开始。常用的源有两种，一种是原子束，另一种是冷原子云和玻色爱因斯坦凝聚物，它们之间各有优劣。原子束的优点是原子流密度比较大，通常是10/17。可以进行连续的测量，这对于某些干涉实验很有作用。相比较于原子束，冷原子云的优势在于其动量的分布比原子束窄的多，并且其相干时间也远大于原子束。此外装置的大小也是实际实验中的一个决定性的因素，原子束的运动速度很快，因此它的装置通常可以达到几米的，而冷原子云仅仅只需要几毫米。较小的装置意味着便利性和稳定性，当然具体的选择还是取决于实际实验的需求。
华东师范大学硕士学位论文9原子干涉仪对于原子的操作的机制是利用拉曼脉冲和原子产生受激拉曼作用进行分束合束以及相位的移动。具体是原子受到两个相反传播的光场的作用，它们的波矢之差称之为有效波矢，频率之差称之为有效频率。而无论什么物理过程，它都遵循动量和能量守恒定律。在经历了受激拉曼过程后，原子得到了或者减少了的动量，其内态也从基态跃迁到了亚稳态即|→|。之后便是通过脉冲光进行相干的分束，相位移动以及合束。具体是使用/2→→/2的脉冲光序列。首先是π/2的脉冲光，这个光束使得处于|，态的原子的动量没有发生改变，而|，的态获得了两个反向光束的动量和，实现了分束过程。而原子的态由原来的基态激发到了它们的相干叠加态。其次，就是使用受激拉曼过程实现全光干涉仪中的反射镜功能。当π脉冲光照射到原子上时，会使得两个基态上的原子从一个基态跃迁到另一个基态。但是此时光子的动量已然作用于原子之上，使得原子的波包重新选择运动的方向。合束过程和分束过程的原理类似，这里就不再多加描述。图2.3：原子干涉仪中的受激拉曼过程，引自[17]当然，除了光场对于原子可以进行操控之外。电磁场以及光栅都可以实现类似于光场的效果，只不过光场使用的更加的广泛。2.2.3光‐原子混合SU(2)干涉仪通过之前的介绍我们知道了光波和物质波都可以作为干涉的介质，但是之前的无论是全光干涉仪还是原子干涉仪，其中的干涉介质都是单一的。而不同种类的干涉介质也可以发生干涉，光‐原子混合SU(2)干涉仪就是一个例子。光‐原子混
【参考文献】：
博士论文
[1]基于干涉仪的量子增强测量应用研究[D]. 陈树英.华东师范大学 2019
本文编号：3016747
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全光马赫-曾德干涉仪工作原理图，其中是相敏光强，LO是平衡零拍探测所需要的本地振荡光，引自[9]
华东师范大学硕士学位论文8光场的相位正交算符。之后可以采取包括四波混频等手段将其中一个分量的噪声压缩，而与此同时根据不确定性原理，另外一个正交分量的噪声将会相应的增加。通过这样的操作，在我们关注的这个分量上，噪声得到了降低，这就是压缩态。理论上这种方法可以将干涉仪的灵敏度提升到1//[15]。2.2.2原子SU(2)干涉仪通过德拜的物质波理论我们知道，波动性并不是光波所独有的性质，所以干涉其实不仅仅局限于光波干涉这一种形式。1991年，第一个中性原子物质波干涉仪16被设计出来之后，原子干涉设备的发展便变得十分的迅猛，被广泛的应用于很多基础物理量的测量上，尤其是重力系数g的测量。图（2.2）是一个典型的马赫‐曾德原子干涉仪的示意图： 图2.2：马赫-曾德原子干涉仪的示意图，引自[17]类似于全光干涉仪，原子干涉仪的要素也是源和操作波的手段。让我们先从源开始。常用的源有两种，一种是原子束，另一种是冷原子云和玻色爱因斯坦凝聚物，它们之间各有优劣。原子束的优点是原子流密度比较大，通常是10/17。可以进行连续的测量，这对于某些干涉实验很有作用。相比较于原子束，冷原子云的优势在于其动量的分布比原子束窄的多，并且其相干时间也远大于原子束。此外装置的大小也是实际实验中的一个决定性的因素，原子束的运动速度很快，因此它的装置通常可以达到几米的，而冷原子云仅仅只需要几毫米。较小的装置意味着便利性和稳定性，当然具体的选择还是取决于实际实验的需求。
华东师范大学硕士学位论文9原子干涉仪对于原子的操作的机制是利用拉曼脉冲和原子产生受激拉曼作用进行分束合束以及相位的移动。具体是原子受到两个相反传播的光场的作用，它们的波矢之差称之为有效波矢，频率之差称之为有效频率。而无论什么物理过程，它都遵循动量和能量守恒定律。在经历了受激拉曼过程后，原子得到了或者减少了的动量，其内态也从基态跃迁到了亚稳态即|→|。之后便是通过脉冲光进行相干的分束，相位移动以及合束。具体是使用/2→→/2的脉冲光序列。首先是π/2的脉冲光，这个光束使得处于|，态的原子的动量没有发生改变，而|，的态获得了两个反向光束的动量和，实现了分束过程。而原子的态由原来的基态激发到了它们的相干叠加态。其次，就是使用受激拉曼过程实现全光干涉仪中的反射镜功能。当π脉冲光照射到原子上时，会使得两个基态上的原子从一个基态跃迁到另一个基态。但是此时光子的动量已然作用于原子之上，使得原子的波包重新选择运动的方向。合束过程和分束过程的原理类似，这里就不再多加描述。图2.3：原子干涉仪中的受激拉曼过程，引自[17]当然，除了光场对于原子可以进行操控之外。电磁场以及光栅都可以实现类似于光场的效果，只不过光场使用的更加的广泛。2.2.3光‐原子混合SU(2)干涉仪通过之前的介绍我们知道了光波和物质波都可以作为干涉的介质，但是之前的无论是全光干涉仪还是原子干涉仪，其中的干涉介质都是单一的。而不同种类的干涉介质也可以发生干涉，光‐原子混合SU(2)干涉仪就是一个例子。光‐原子混
【参考文献】：
博士论文
[1]基于干涉仪的量子增强测量应用研究[D]. 陈树英.华东师范大学 2019
本文编号：3016747
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