[发明专利]基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法

说明书

本公开提供了一种基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法。该装置包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非线性晶体，用于对来自激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换和第二次受激参量下转换；凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体；平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回凹面反射镜；楔形相位调节器，用于调节来自凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及单光子探测器，用于对来自非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。

技术领域

本公开涉及量子信息处理技术领域，具体涉及量子精密测量和弱光探测领域，尤其涉及一种基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法。

背景技术

量子精密测量的目的在于利用量子系统提高对测量物理参数的测量精度。对测量物理参数的测量误差，包括技术误差和原理性误差。测量物理参数的技术误差是由测量过程中技术手段不完美引入的误差，比如环境温度变化带来的噪声。原理性误差则是由于基本物理原理的限制产生的。最典型的例子是用Mach–Zehnder(MZ)干涉仪测量干涉仪两臂之间的相位，在采用经典的激光输入时，由于量子不确定性原理，输出端口的光强必然存在泊松涨落，该涨落导致相位测量精度存在一个上限。具体来说，假设输入激光的平均光子数为n，则相位误差满足这是在资源确定的情况下，通过经典资源(激光)能够得到的最小误差，称为散粒噪声极限。

如果引入量子纠缠等量子资源，则可以突破散粒噪声极限。理论表明，对量子系统，最佳的相位估计满足称为海森堡极限。

要达到海森堡极限的一种典型的方式是基于NOON态，一种光子数最大纠缠态。尽管NOON态理论上可以达到海森堡极限，但是基于NOON态的相位测量有很大的局限性。一方面大光子数NOON态难以确定性制备；另一方面NOON态对光子损耗指数敏感，到目前为止仅在2光子NOON态上实现了无条件超越散粒噪声极限。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法，用于实现达到海森堡极限的相位测量。

根据本公开的第一个方面，提供了一种基于受激参量下转换的测量装置，包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非线性晶体，用于对来自激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换，得到第一参量光和第一泵浦光，以及对来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光进行第二次受激参量下转换，得到第二参量光和第二泵浦光；凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体；平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回凹面反射镜；楔形相位调节器，用于调节来自凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及单光子探测器，用于对来自非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。

根据本公开的实施例，包括：凹面反射镜和平面镜构成光学4f系统，凹面反射镜和平面镜之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距；凹面反射镜和非线性晶体之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距。

根据本公开的实施例，包括：激光光源被配置为激光光源的光源口朝向非线性晶体，使得来自激光光源的初始泵浦光垂直入射非线性晶体。

根据本公开的实施例，还包括：双色镜，用于分离来自非线性晶体第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光；分束器，用于分离来自双色镜的不同偏振模式的第二参量光。

根据本公开的实施例，还包括：第一聚焦透镜，第一聚焦透镜设置于激光光源和非线性晶体之间，用于聚焦来自激光光源的初始泵浦光；以及第二聚焦透镜，设置于分束器和双色镜之间，用于准直来自双色镜的第二参量光。

根据本公开的实施例，还包括：λ/4波片，λ/4波片设置于凹面反射镜和平面镜之间，用于保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。