论文摘要
量子态操控与测量是量子通信和量子计算的基础,近些年,随着量子通信和量子计算领域的飞速发展,量子态操控与测量得到科学家们的普遍关注,发展了多种方案。与此同时,随着激光的技术的发展,原子分子微观系统操控技术越来越精密,基于光子和原子分子的精密测量技术也得到了飞速发展。更精准的操作技术以及更高的测量精度一直是各个领域所最求的目标,在此意义上,量子态测量技术与精密测量技术相结合成了必然趋势,量子精密测量领域应运而生。量子精密测量学的主要目标是利用量子系统以及量子态操控和测量方法来增强物理参数估计的精度,突破现有的经典测量极限。干涉仪是一种非常成熟且有效的精密测量仪器,在工业生产、国家需求、基础科研等各个领域都有着广泛的应用,近几年LIGO采用大型激光干涉仪成功探测到引力波信号以及基于物质波干涉的高精度原子重力仪和原子陀螺仪是干涉仪应用的典范。在此大背景下,本论文基于干涉仪提出两种新的量子精密测量方案,分别为基于光-原子混合干涉实现光子可分辨的量子无损测量（quantum non-demolition measurement,简称QND测量）和基于“光喷泉型”量子干涉仪实现突破标准量子极限（standard quantum limit,简称SQL）的重力加速度测量方案,具体如下:首先,我们将原子和光拉曼散射过程做为干涉仪的分束器,产生具有关联的信号光场和原子自旋波,后经过第二个拉曼散射过程将信号光场和原子自旋波合束,发生干涉,干涉输出信号强度既对光场相位敏感也对原子相位敏感。我们采用线性拉曼转换过程做为分束过程构建了SU（2）型光-原子混合干涉仪,通过参量型拉曼放大过程做为分束过程构建了SU（1,1）型光-原子混合干涉仪,由于参量型拉曼放大过程产生的信号光场和原子自旋波之间具有量子关联,使得SU（1,1）混合干涉仪信噪比优于经典干涉仪,可以突破SQL。其次,将一束相对于原子共振能级远失谐的光场照射到这个原子系统时,原子能级因AC-Stark效应产生位移,进而原子相位发生改变,相位改变量与照射光场强度成正比、与照射光失谐量成反比。我们利用光-原子混合干涉仪的原子相位灵敏性,通过对干涉输出信号的精密测量可以推算出原子相位改变量进而得到照射光场的强度,由此设计了QND测量光子数的系统。当干涉仪的相位灵敏度足够,我们甚至可以用混合干涉仪测量照射光场的光子数。此外,因光场为远失谐,原子系统不吸收光子,相互作用后,照射光场强度不变,这样我们可以利用光和原子混合干涉仪对另一束远失谐光场光强（光子数）进行QND测量。根据Holland等人提出的量子无损测量的判据,我们在具体实验参数下,计算了这一系统进行光子数可分辨QND测量的可行性,并应用于量子光场的多次连续测量,量子光场光子数保持不变。最后,我们利用垂直于地面的“喷泉型”全光干涉仪测量地球的重力加速度。基于地球的广义相对论时间膨胀效应和干涉仪干涉臂光场相位之间的耦合,我们提出用光量子干涉仪探测重力加速度的量子测量方案,为实现大尺度时空引力理论和微观量子理论的统一提供一些依据。我们给出了干涉探测地球重力加速度的标准量子极限,探索了可以突破SQL的量子增强方法,并具体分析了不同参数对重力加速度灵敏度的影响,为今后高精度天文观测提供潜在的理论依据和测量技术。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 陈树英
导师: 张卫平,陈丽清
关键词: 量子精密测量,参数估计,干涉仪,混合干涉仪,量子无损测量,广义相对论
来源: 华东师范大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 华东师范大学
分类号: O431.2
总页数: 131
文件大小: 6921K
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