[发明专利]多次穿过的超稳干涉仪及其高精度测量相位的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学相位测量领域，尤其涉及多次穿过的超稳干涉仪及其利用 单光子、M纠缠光子和时间上可区分的光子测量相位，能大幅度提高相位测量 精度，并可打破标准量子极限的测量相位的方法。

背景技术

众所周知，测量是所有定量科学的基础。对于整个科学领域来说，精确 测量是至关重要的。例如，利用光学相位的测量可获得许多的物理量，如距 离、位置、位移、加速度和光程等，还可进行许多其他的应用。

利用高精度的测量方法，可发现新的物理现象、发展新的物理理论。然 而，物理量的测量精度会受到量子力学基本原理--海森堡不确定性原理的限 制。在与时间、距离等基础物理量有关的相位测量中，其测量精度的不确定 度与所用粒子数N(例如，光子或离子)成反比，最高精度可达到平均粒子数的 倒数1/N，即海森堡极限。业已证明，海森堡极限是量子力学所允许的最高 极限。而受噪声所限的标准量子极限，即噪声极限，一般是平均粒子数平方 根的倒数已经有很多实验表明，相位测量精度可打破标准量子极限， 如基于压缩态和多光子干涉方法等等。但是，由于固有损耗的存在，其测量 精度无法逼近海森堡极限，甚至随光子数的增加而变得更差。如何提高物理 量的测量精度已经成为物理学家的重要研究课题。随着技术的进步，测量水 平也在不断地提高。同时，高精度的光学相位测量有许多重要的应用，包括 显微镜方法、引力波探测、材料性质的测定以及医学和生物学的反射测量等 等。

下面，我们介绍两种双光束干涉仪：一种是Mach-Zehnder干涉仪，如图1所 示，它由两个50∶50分束器BS1和BS2，以及两个平面镜1和2组成。在BS1上输入模 a和模b光子，其中模d经过相移器(PS，其作用是产生相移φ)之后，再在BS2上 组合，最后，在模e和模f上进行探测。该干涉仪在原理上，两束光的光程差不 容易控制，不能保持子波长(纳米)量级的稳定性。在光学干涉仪中，如果相对的 光程差保持不变或保持在子波长(纳米)量级的稳定性，称这个干涉仪具有超稳 定性，即它拥有超稳结构。

另一种干涉仪如图2所示，称为Nagata干涉仪，它具有内在固有稳定的超稳 结构，它能保证模c和模d的光程差是子波长(纳米)稳定。但它只能使模d的光 束单次穿过相移器。

利用量子纠缠进行光学相位测量可提高测量精度而打破标准量子极限。 因此，近来在干涉仪上的许多工作都聚集在利用M纠缠光子M00M态，即 或改善测量方法。

最近，日本北海道大学Nagata研究小组在实验上实现了光学高精度相位 测量，使用纠缠四光子干涉，其干涉可见度高于阈值可见度而打破标准量子 极限。该项成果发表在[Science 316(2007)726]上。他们的结果为高精度 测量应用开创了新的途径。然而，他们仅考虑了纠缠光子单次穿过相移器。 因此，对单光子或时间上可区分的光子，使用他们的方法都不能打破标准量 子极限。

为了克服上述不足，我们期待新型超稳干涉仪的出现，从而使用单光子、M 纠缠光子和时间上可区分的光子测量相位，都可提高相位测量精度，并找到打 破标准量子极限的相位测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多次穿过的超稳干涉仪及其打破标准量子极限 的相位测量方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

多次穿过的超稳干涉仪，包括一个束分器BS和第一单面平面镜1、第二单面 平面镜2、第三单面平面镜3，置于水平面上，以及具有多次穿过的超稳结构的 光学元件而组成。超稳结构的光学元件是多次穿过相移器后，可确保模c和模d 光程差稳定在纳米级范围。

其中具体设计了两个有超稳结构的光学元件，分别表示2次(q＝2)和4次 (q＝4)穿过相移器。其中，2次(q＝2)的元件结构是：A是一个双面平面镜，它 可用两个背靠背的单面镜来代替，还有四个单面平面镜B、C、D和E，这五个 平面镜被固定在垂直面内。4次(q＝4)的元件结构是：A是一个双面平面镜，它 也可用两个背靠背的单面镜来代替，还有八个单面平面镜，即第四单面平面镜B、 第五单面平面镜C、第六单面平面镜D、第七单面平面镜E、第八单面平面镜F、 第九单面平面镜G、第十单面平面镜H和第十一单面平面镜I，这九个镜子被固 定在垂直面内。对于四次穿过，其具体的光路结构如下：