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论文案例大全-非经典光场在量子传感技术中的应用

2021-04-17 10:54:14

  量子传感、量子通信与量子计算被普遍认为是量子光学的重要应用领域,部分非经典由于其性能超过传统物理,而被应用在量子传感技术中为了提高测试中参数估计或测量精度,压缩光在量子传感技术中的应用,量子传感器的超表面干涉测量(具有圆极化的路径纠缠的两光子NOON状态),基于纠缠态光场的量子照明等。介绍了量子传感技术发展的最新成果。介绍了目前的技术水平,讨论了一些有待解决的问题和下一步可能采取的一些措施。

  1.1本论文的背景和意义

  量子理论的建立是20世纪最伟大的理论之一,它揭示了微观领域物质结构、性质与运动规律,将微观世界引入了人们的视野。那些区别于经典理论的现象逐渐使人们所理解接受。而随着人们对围观领域进一步深入的探索,经典的实验仪器逐渐不能满足科学家们的需求。而随着量子光学的进一步发展,人们似乎找到了解决这一难题的方法,压缩光与相干光相比有着更小的正交分量,因此压缩光在测量某一个物理量时能够突破瑞利诅咒的束缚。1987年人类首次进行量子压缩增强相位测量的实验以来,量子压缩测量技术得到了广泛的研究。并不断探索提出了更多可用于量子传感技术的理论。

  近些年来,量子传感(包含了一切能够超越任何经典方法的估计和辨别的量子协议)技术飞速发展。人们可以利用一些重要的量子性质,以实现数量级精度的提高。因为与传统测量方案相比能突破瑞丽诅咒而有着更高的精度。它通常与一些实际任务的性能的想法有关,包括像雷达一样探测微弱的物体,从光学存储器读出信息,以及非常接近点的光源的光学分辨率。因此量子传感技术目前已在诸多领域拥有了实际应用例如相位估计和跟踪、光学磁力仪、生物测量、小位移测量和引力波探测,其目的是提高信噪比。正因为量子传感在如此广泛的领域,有着诸多实际的应用。并且有着不可或缺的地位,甚至于在医学检测领域也有其一席之地。

  因此在未来将有更多的人去涉及甚至学习掌握量子传感技术的应用,因此本篇文章旨意在于从量子传感技术的发展角度,介绍多种非经典光场在量子传感技术中的应用。帮助更多人去了解量子传感技术的发展,并知晓量子传感技术的最新进展。除了目前的最新进展,我们还讨论了一些有待解决的问题和下一步可能采取的措施。

  1.2本论文的主要方法和研究进展

  本文主要通过调研相关文献,归纳常见的部分非经典光场在量子传感技术中的用。总结其发展及应用原理。讨论一些有待解决的问题和下一步可能采取的措施。

  1.3本论文的主要内容

  本文综述了近年来量子传感领域的研究进展。主要介绍了压缩光在量子传感技术中的应用,量子传感器的超表面干涉测量(具有圆极化的路径纠缠的两光子NOON状态),基于纠缠态光场的量子照明在量子传感技术中的应用。

  介绍了压缩光的基本原理,及压缩光在相位估计和跟踪、光学磁力仪、生物测量、小位移测量和引力波(GW)探测中所产生的应用。光学超表面为集成量子技术的光的精确波前控制开辟了新途径,

  1.4本论文的结构安排

  第二章介绍了压缩光,第三章介绍了量子照明,第四章介绍了超表面。每章分布又理论开始到实际应用方面。而超表面因为还在实验阶段所以没有具体应用实证。只讲了潜在的应用。

  第2章压缩增强在各领域的应用

  2.1压缩光的基本原理

  近单色的电磁场可以看作是相空间中一对非交换正交分量的函数,通常称为振幅正交和共轭相位正交。根据海森堡测不准原理,非对易的物理量不能同时精确测量,其不确定关系为

  (2-1)

  对于相干态,不同正交分量的涨落在相空间上是相同的,等于零点涨落,()显示了使用相量图的相干状态的表示。在用相干态测量引力波这样的弱信号时,实验数据通常表现出这些波动。为了在满足海森堡不确定性原理的同时提高测量的灵敏度,而引入了压缩光,压缩光以一个正交分量被扩大为代价压缩另一个正交分量。此时,波动是由,其中r被称为压缩因子。在测量过程中,可以利用压缩的正交分量来提高测量精度。

  为了获得压缩光,主要的方法是采用相位相关的非线性过程,如FWM和PDC。1985年,Slusher等人。首次观察到使用FWM1压缩;然后是Wu等人。通过PDC工艺2获得3-dB的压缩光。此后,研究人员使用更加先进的方法获得了压缩态3。由于量子传感系统的性能在很大程度上依赖于被压缩的光,所以研究人员在提高压缩因子方面做了很大的努力。到目前为止,最大的压缩比信噪比低15 dB,这是通过周期性极化的KTiOPO4(PPKTP)晶体3中的光参量放大(OPA)过程得到的。

  OPA发生在二阶磁化率为X2的非线性晶体中。一个泵场和一个信号场被注入到晶体中。在OPA过程中,泵场被转换成信号场和空转场。由于能量守恒,信号和空转场的频率之和等于泵场的频率。同样,动量守恒要求相互作用波矢量的相位匹配。而且必须仔细控制非线性晶体的温度,以获得合适的相位匹配。

  2.2位置与旋转测量

  激光光斑得测量被广泛应用于诸多领域。光斑位置定义为光束中所有光子的平均位置,其测量精度受量子涨落的限制。TEM00激光束的横向位移分辨率由4给出。

  (2-2)

  其中为光束的腰,为总光电流;QNL是量子噪声极限的缩写。

  TEM00任何位移调制都被转换为高阶模式的振幅,但是调制量很小的话,TEM10模式就主要贡献位移信号。所以,位移测量是基于从位移的TEM00模式中提取TEM10模式分量。检测位移的方法通常有两种:,分裂检测和TEM10零差检测。

  一种基于分裂光探测器的激光束位移测量方法是使用双像素探测器。2000年,Fabre等人。提出了用5来定义TEMGaussian光束在双像素探测器上的最小可测位移QNL 00

  (2-3)

  与之相比,它并不比它好6。这种减少是由于分裂检测的噪声模式(即“翻转”模态)和位移引入的TEM10模态。为了进一步提高分割检测的灵敏度,需要在输入波束中填充压缩噪声模式,即压缩“翻转”模式。

  2002年,Treps等人。利用空间压缩态进行位移测量,获得了亚量子噪声极限的灵敏度。他们将由光放大器腔产生的3.5分贝压缩真空TEM00模和它的相干“翻转”模结合起来。引入一个由两个电光调制器(EOMs),它们将噪声地板降低到量子噪声极限以下约2.4dB的水平。2003年,他们将他们的工作扩展到使用三模非经典状态测量二维亚量子噪声极限位移,该状态由三个正交横模耦合产生,两个处于压缩真空状态,一个处于明亮的相干场。在这个实验中,他们同时达到了3.05±0.1分贝的水平噪声降低和2.0±0.1分贝的垂直噪声降低,最小的可检测位移从2.3?(1?=0.1纳米)提高到1.6?。

  另一种检测方案,TEM10零差检测,可以实现非常小的位移QNL。该方案使用了一个零差检测装置,涉及LO的TEM10模式。这种检测的噪声模式是TEM10模式,它与要提取的信息完全匹配,从而在理论上占到了100%的检测效率。在此方案中,用压缩真空TEM10模式填充输入光束可实现超出QNL的测量,对于同等压缩值,QNL的性能优于分离检测。2006年,Delaubert等人。使用TEM10检测方案,在小位移测量中实现了2±0.2 dB的增强。2014年,Sun等人获得了2.2 dB的空间压缩,并将最小可测量位移从1.17?减小到0.99?。

  2.3光学相位估计

  光相位估计是光通信和精密计量中的关键技术之一,它以有限的光子数为目标,实现量子有限精度。光学相位的自适应零差测量是接近理想正则相位测量的一种高效而复杂的方法7。压缩态通过抑制探测光束的量子噪声而相位估计中提供了进一步的量子增强。从理论上讲怀斯曼等人证明了相干态的自适应零差测量可以用有限的量子精度去估计固定或时变的光学相位,并且可以用压缩态来超越。

  Armen等人进行了单次自适应相位测量的第一个实验。在2002年,他们对具有固定相位的弱相干态进行了自适应零差测量,并证明了自适应零差测量在相位估计方差方面可以胜过外差测量。他们的系统达到了固有的量子不确定性,并为压缩增强相位估计实验铺平了道路。

  2015年,Berni等人。演示了具有压缩真空状态的量子增强和实时贝叶斯自适应估计算法。他们使用腔增强的简并PDC产生了5.69±0.07 dB的压缩真空状态。输入为真空状态,经过固定的相移,然后通过零差检测对其进行测量。根据贝叶斯推断,对零差检测的LO进行反馈控制。纯6 dB压缩真空态的费舍尔量子信息大于共振态中相干态的量子Fisher信息。特定的相移范围,这表明对于最佳测量该系统具有一个特定的相位工作点。他们使用初始测量值进行了预估使用贝叶斯推断对结果进行粗略估计。该信息用于将LO移至最接近的最佳相位工作点,然后他们测量了零样本结果需要更多的样本最终估算。估计方差与不同输入相位和零差样本数量表明,具有压缩增强功能的自适应反馈控制性能优于相干态的量子Cramer-Rao界(QCRB),并接近于压缩状态的最佳CRB。

  像单脉冲相位估计一样,时变相位估计也已进行了研究。在2010年,Wheatley等人演示了对相干态随机变化的光学相位进行连续自适应相位测量的方法,该方法提供了比标准(非自适应)量子极限更好的精度。他们使用实时滤波和后处理平滑,与标准量子极限相比,均方误差(MSE)提高了2.24±0.14。

  2012年,Yonezawa等人实现了挤压增强的时变OPE。他们使用相位压缩状态来跟踪时变光学相位,其范围约为1弧度。相位压缩状态由OPO准备,并用随机变化的信号进行调制。通过自适应零差检测可检测调制的相位压缩光束,总效率为85%。卡尔曼滤波器用于设计锁相环,以跟踪随机变化的光学相位。相位跟踪结果表明存在最优根据估算的MSE压缩级别。这是因为增加抗挤压会影响估计。在最佳压缩水平下,MSE低于相干态极限;量子增强的相位跟踪实现了大的相位变化。压缩增强的光学相位跟踪具有多种应用,其中之一是光机械运动感测。岩泽等。曾致力于使用光学相位跟踪技术在外部随机力下测量反射镜的运动。他们估计镜面的位置,动量和力,以及压缩相位估计的光学原理图。对于纯6 dB压缩真空状态,Fisher信息与相移的关系。改编自Ref.Dependent估计方差对输入阶段的依赖。估计方差对零差样本数量的依赖。经Ref。许可改编。量子增强的零差相位跟踪系统。相干态的估计几乎达到了相干QCRB。压缩态(红色菱形)的估计显示出明显的增强并击败了相干QCRB,尽管由于被压缩的杂质,估计精度未达到压缩态QCRB。州。这些结果证明了增强型相位估计方法在未来量子计量学应用中的潜力。

  2.4磁场测量

  超灵敏磁强计已经发现了多种用途,从地磁场检测到引力波检测,核磁共振信号检测到生物磁性。1992年,Kupriyanov等人。建议使用压缩光来检测磁场。随后,报到出许多压缩光增强信噪比的方法,包括量子非破坏检测、量子卡尔曼算法和自旋压缩原子系结,这些方法都有可能将噪声降低到海森堡极限[104-108]。本节主要介绍使用偏振光压缩的亚snl磁强计。

  基于非线性磁光旋转(NMOR)的磁强计是一种常见的原子光学磁强计。它包括一个偏振干涉仪,其中偏振旋转器被一个准备好的原子系综代替,例如,一个自旋取向的原子系综。在该系统中,由于探针光束与原子的相互作用,探针光束的偏振态在弱外磁场下旋转,根据海森堡不确定度原理,该磁强计最终受到包括原子投影噪声和光学散粒噪声在内的量子噪声的限制。光的偏振压缩态可以改善NMOR磁强计的性能。

  通常,由基于NMOR的磁强计检测到的噪声变量8是

  (2-4)

  其中Fz表示原子在z方向的集体自旋,S表示斯托克斯算子,G表示相互作用强度,是总光子数,光学散粒噪声和原子投影噪声分别用和描表示。光学噪声方面,明亮相干光束的波动在庞加莱球面上表现为一个不确定球,而在参数下,压缩偏振光表现为一个椭球体[113,114]可以通过注入偏振压缩光束来降低光噪声;因此,可以建立一个子量子噪声极限磁强计。这种磁强计的偏振压缩

  探测光束可以通过在偏振分束器[11]中混合压缩真空和相干光束而产生。

  2.4引力波的探测

  近些年引力波的探测成为各国科学家所关注的热点话题。例如探测器LIGO由两个类似的米歇尔森干涉仪组成,分别位于汉福德和利文斯顿,当引力波通过两个干涉仪时,各干涉仪的两个臂受到的应变较弱,导致长度变化微弱。要检测到微弱的引力波信号,就需要增大光功率和抑制噪声。在干涉仪中,利用臂腔和功率回收腔来增加光功率。注入非经典光是一种有效的改进方法,而挤压光是最优选择9。压缩10db相当于增加10倍的光功率,而不需要引入来自高功率光的灵敏度热变形。通过原理验证实验10-12,在GEO 60013和LIGO14中证明了压缩光的存在,提高了灵敏度。

  具有压缩注入的LIGO装置(图2-1)有一个光源(H1激光器),Nd:YAG激光器频率和强度稳定,向迈克尔逊干涉仪发射15w光束。臂腔中的光被腔增强到大约40kw。干涉仪在一条暗条纹附近工作,向反对称端口输出约30兆瓦的光。经过输出法拉第隔离器后,压缩真空态从反对称端口进入干涉仪,取代了真空态。真空压缩态是使用放置在OPO腔中的PPKTP晶体中的PDC产生的。为了控制压缩角,还通过干涉仪发射了频移激光束,并给出了压缩真空状态。在最后检测之前,用一个输出模式清洁器过滤掉频移激光束中受到挤压的部分真空传递。为了提高压缩源的灵敏度和降低噪声,除了严格控制压缩角和减少OPO腔的背散射光和检测的总损耗外14,还需要压缩态和相干态之间的模态匹配。

  通过注入一个约10-dB的挤压真空状态,灵敏度提高到2。在限制发射噪声的频带内15db降到150hz。此外,在实际应用中,还提出了频率相关压缩15和双模压缩16来优化GW检测。

  图2-1

  第3章量子照明

  纠缠在许多领域的应用是必不可少的,但是纠缠是十分脆弱的,他很容以被环境损耗和噪声引起的量子退相干破坏。所以随着量子退相干性的提高,大多数使用纠缠增强传感的方案性能优势瞬间消失。量子照明是一种用于目标检测的纠缠增强方式,与使用相同发射光子数的经典传感相比有着再错误概率指数上具有6dB的优势,就算最初的纠缠被破坏了但量子照明仍具有优势。

  至今,量子照明的最佳量子接收器的位移原理实现需要在量子计算机上经行舒贝尔变换17,因此其物理实现不太可能在近期发生。目前最有名的量子照明接收机其中一个,光学参量放大器接收机已被实验证明,可以实现仅3dB错误概率的指数优势。对于其应用潜力和加深我们对纠缠增强计量学的理解有着重要的意义。

  3.1纠缠

  量子力学允许物理系统之间的联系远超经典理论所被允许的范畴。纠缠是量子相关性的最突出表现,是量子力学的标志性特征。他被广泛认为是量子信息处理技术中优于经典技术的量子优势。什么是纠缠态呢?如果量子态不是可分离态,那么他就是纠缠的。在两粒子体系可分离态表示为

  (3-1)

  其中和是密度运算符。纠缠态可能违反Bell不等式,后者是经典的局部隐变量理论中可能存在的相关性18。

  纠缠被认作是量子方案对传动方法改进的动力,N个独立探针在可分离状态(即无量子纠缠)中的量子费雪信息不能超过N.由于量子费雪信息的值在此对应散粒噪声极限的精度,因此,可分离状态不能超过散粒噪声极限。又因为纠缠态的量子费雪信息可以超过该界限。实际已经表明,N粒子状态大于N的费雪信息是多粒子纠缠的充分条件。所以纠缠态能够实现亚散粒噪声精度。虽然纠缠的存在是必要的,但不是实现子散粒噪声精度的充分条件。并非所有纠缠态都为精确计量提供了量子增强。当参数演化的生成器的数目为线性时,包含N个探针的状态的量子费雪信息最多可以达到的值,该值对应于海森堡极限的精度参数估计。19

  在双模光学干涉术中,要考虑的纠缠的相关类型是经过第一分束器的两个模之间的纠缠,即a 1和b 1。最著名的模式纠缠状态是N 00 N个状态20其中

  (3-2)

  其中a1和b1表示经过第一个分束器的两种模式。N00N的量子费雪信息为,因此能够在相位估计中达到海森堡极限。已知光子数差算子和光子数奇偶算子对于具有N00N状态的海森堡有限

  相位估计都是最优的。已知能够进行海森堡极限精度的有限光子数状态的另一个示例是Holland-Burnett状态,其在干涉仪内部产生模式纠缠态。

  3.2目标检测

  量子照明目标检测工作如下21。纠缠源产生M>>1个信号空转模对,具有光子湮没算符,每对处于平均光子数2Ns<1的双模压缩真空状态。假设弱反射目标同样可能不存在或存在的情况下,信号模式探测是否存在嵌入明亮背景中的弱反射目标,同时保留空转模式,以便随后使用从信号模式询问的区域收集的光进行联合测量。(我们将假设无损耗空载存储,以便用于联合测量的空载模式满足)。当目标存在时假设h=1,返回的信号模式是,其中k<1是往返透射率,是平均包含光子的热态噪声模式。当目标不存在时(假设h=0),返回的信号模式是,其中现在被认为处于热状态平均光子数为NB。

  当目标存在时,省略对的贡献,并以为条件,构成一组独立的、同分布的模对,它们处于具有Wigner协方差矩阵的零均值高斯状态

  (3-3)

  其中是Kronecker delta函数,并且是目标存在时存在的相敏互相关。因此,量子照明目标检测的任务是用{A}表示的两个M模对零均值高斯状态之间的最小误差概率鉴别。

  对于同样可能的假设,用密度算符和区分状态的最小误差概率量子测量是Helstrom测量,,其中表示,否则22为0。在量子计算机不可用的情况下,最著名的量子照明接收器的错误概率指数比最佳量子接收低3db。这些次优接收器在每个模式对上使用高斯局部运算加上光子数分辨测量,因此属于局部操作加经典通信(LOCC)的范畴。它们的次优性如下,因为经典通信对于一般的混合状态判别不是最优的23。

  为了超越经典通信,我们用同频产生。量子照明发射机使用连续波自发参量下变频器(cw-SPDC)在目标区域询问期间以频率产生个信号空载模式对。这些模式对起源于频率的单模泵。每个模式都有平均光子数Ns,每个模式对都有一个相敏交叉项。同频产生是SPDC的逆过程:具有相同相敏互相关的M个独立的信号空载模式对可以相干地组合在一起,在泵浦频率下产生光子。因此同频产生在寻找最佳量子照明接收机时,由于相位敏感的互相关,是目标存在的标志。

  3.3增强瑞利衰落目标检测

  量子照明使用纠缠性能要优于传统照明系统,能更好地检测嵌入在非常嘈杂背景中的弱反射目标的存在,尽管该环境破坏了原始纠缠。在最佳量子接收条件下,量子切尔诺夫界设置的量子照明

  错误概率指数比最佳CI系统(相干态发射机和零差接收机)高出6db。目前为止,量子照明的唯一一个结构接收机性能优于CI-Guha和Erkmen的光参量放大器接收机,其错误概率指数仅增加了3db。在文献24中,我们证明了和频产生接收机的错误概率指数达到了量子照明的切尔诺夫界。此外,使用前馈增强该接收机运算得到FF-SFG接收机,对于低亮度发射机,其性能在目标检测误差概率和Neyman-Pearson准则接收机工作特性方面均符合量子照明的Helstrom极限(量子接收机误符号率的性能极限)。

  现有的量子照明性能分析都是假定目标返回具有已知的振幅和相位,一些很少发生在激光雷达的应用程序。在激光雷达波长下,大多数目标表面都十分粗糙,以至于它们的回波被斑点化,即,它们具有瑞利分布的振幅和均匀分布的相位。因此,至关重要的是,对于具有随机幅度和相位的目标返回信号,量子照明保持优于相干态发射机和零差接收机的目标检测性能优势。

  3.4纠缠增强的Neyman-Pearson目标检测

  纠缠是可以超过经典物理假设极限的传感性能的重要量子资源,但纠缠很容易受到环境作用产生的损耗和噪声的影响。所以许多用纠缠方案的性能优势会随着损耗和噪声的影响而消失相比之下,量子照明对环境损耗和噪声有很强的抵抗力。量子照明用纠缠来突破最佳经典照明方案的性能,以检测嵌入在非常嘈杂的环境中的弱反射目标的存在特别是,对于同样可能的目标缺失或存在,Tan等人表明量子照明的错误概率指数比相同发射功率的最优相干态发射机和零差接收机方案的错误概率指数降低6db。Tan等人从量子切尔诺夫界(QCB)获得了他们的结果,结果表明不能使用接收器硬件来实现这种性能优势。事实上,为量子照明找到一个结构化的最佳接收器是一个长期的问题。Guha和Erkmen对光参量放大器(OPA)接收机进行了介绍和分析,指出了其误码率同样可能目标缺失或存在的指数比最优CI的指数提升3db。随后的实验实现了OPA接收器,验证了量子照明在纠缠破坏情况下可以优于相干态发射机和零差接收机方案。近期有理论证明了和频产生(SFG)与前馈(FF)机制相结合,在同样可能的目标不存在或存在的情况下,可以实现量子照明在错误概率指数方面的提高6db。

  Tan等人的假设目标不存在或存在的可能性以及错误概率作为一种性能指标使得他们的分析是贝叶斯分析,但是贝叶斯分析不是目标检测的首选方法,因为准确分配目标消失和存在的先验概率,并为错误警报(I类)和未命中(II类)错误分配。相反,雷达理论选择对于Neyman-Pearson性能准则,其中最佳目标检测最大化检测概率,(决定是否是现在),服从虚警概率的一个约束条件,(决定是否存在)。Spedalieri和Braunstein[16]在渐近条件下导出了虚警和误警概率误差指数之间的最优解,M是拷贝量子态分辨的极限。最近,王尔德等人表明,对于固定的虚警概率,量子照明的误警概率指数大大超过了传统方案。然而,对于嵌入高亮度噪声中的弱反射目标,王尔德等人的结果仅适用于极低的情况,例如或更低。

  第4章基于超表面的干涉仪

  光学超表面为集成量子技术的光的精确波前控制开辟了新途径。最近Jha等人,理论上提出了一个超表面可以诱导两个量子比特之间的原子正交辐射跃迁状态和量子纠缠之间量子干涉。后来证明了单个光子的自旋和轨道角动量的纠缠可通过超表面产生。但目前仅有少数实验表明超表面能适合量子光学是严重的状态操纵,如果超表面技术可以直接应用与实际应用,将为量子成像,感测和计算提供更加先进的解决方案。

  接下来介绍了表面是否还保留了生成状态的量子相干性,即叠加成分之间的相位关系是固定的,而并非随机重新分布的。这种相干性在量子测量应用中很重要,在量子应用中,相位测量起着关键作用。为此菲利普·乔治等人研究了一种折叠的基于超颖表面的干涉仪(MBI),其中光子两次穿过超表面(图)。通过在干涉仪的两个臂之一中倾斜一块厚度为130μm的玻璃板,在两个光路之间引入了相位差。然后分离最终状态,并在偏振分束器(PBS)处进行分析。

  他们观察到,在每个单独的MBI输出通道中的计数将是恒定的而不管引入的相位的φ,但是,当他们确定两个输出之间的重合时,他们从相干情况中观察到相同的双频振荡,该情况现在根据相移了。当两个正交极化的光子在超颖表面同时,由于光子聚集效应,HOM实验中没有巧合贡献。此时路径纠缠的光子对在超表面处生成。

  超表面在量子光学中具有巨大的潜力。它们完全控制光波前的能力可用于产生具有不同自旋OAM的多光子和高维纠缠。多种光学功能组合成一个单一的超颖作为EF网络是十分紧凑的量子光学设备可能会显着提高性能,甚至会诞生一些新想法应用到实际中。