线性光学系统下的弱测量实验研究

论文摘要

量子力学的数学体系及其哥本哈根解释自诞生以来,在许多物理领域的实验中得到了证实。测量是现代量子力学最重要的基本假设和基础问题之一。近年来,由于基础理论和实际应用的需要,量子测量变得越来越重要。近几十年来,量子测量的研究取得了很大进展。其中一个最显著进展是弱测量和弱值的发现和发展。在弱测量中,系统与指针之间的耦合强度很弱,系统后选择到末态,从而得到观测值的弱值。弱值具有不寻常的性质,表现为它们可能是复数的,弱值的实部可能远超出可观测量的最大特征值。许多理论和实验研究表明,弱值在物理的各个领域都有非常重要的应用。在量子弱测量领域,本文完成了以下工作:1.首次在光子系统中实现了对三个非对易泡利可观测量序列弱值的测量。当进行弱测量时,几乎不会干扰系统,这意味着可以连续测量非对易可观测量,并且可以通过所谓的序列弱值提取联合信息。因此,从基本和应用的角度来看,序列弱值的实验测量是非常有意义的。然而,以前报道的方法只能在实验上进行两级的序列弱测量。测量非对易可观测量的序列弱值的实部或虚部仍然是一件困难的事。我们提出了如何测量非对易泡利可观测量序列弱值的方法,并首次在实验上利用预报单光子演示了三级非对易可观测量序列弱值的测量,这在以前报道的方法中是不可能的。2.在单光子系统中实验证明了纠缠辅助弱值放大。利用弱值放大技术可以提高线性探测器对微弱相互作用参数响应的灵敏度。然而,产生较大的弱值会降低后选择概率,这限制了弱值放大技术的可行性。近年来,有理论研究表明,利用纠缠可以提高弱值放大方法的效率。我们据此提出了一种实现纠缠辅助弱值放大的具体实验方案,并进行了实验验证。这里显示的结果也证明了纠缠的更大实用性,这可以促进量子测量和高精度计量学的进一步发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   参考文献
• 第二章 量子弱测量
•   2.1 量子力学中的测量理论
•   2.2 冯·诺依曼型测量
•   2.3 带后选择的弱测量
•   2.4 带后选择的弱测量的实现
•     2.4.1 测量弱值Sterm-Gerlach实验
•     2.4.2 测量弱值Sterm-Gerlach实验的光学类比
•     2.4.3 利用弱测量探测光子的自旋霍尔效应
•     2.4.4 用弱值放大法测量超灵敏的光束偏转
•   2.5 后选择弱测量的意义和应用
•   2.6 本章小结
•   参考文献
• 第三章 线性光学实验系统
•   3.1 偏振分束器
•   3.2 光束位移器
•   3.3 波片
•     3.3.1 半波片
•     3.3.2 四分之一波片
•   3.4 光子偏振态的初态制备
•   3.5 光子偏振态的投影测量
•   3.6 单光子态
•   3.7 自发参量下转换
•     3.7.1 自发参量下转换研究历程回顾
•     3.7.2 自发参量下转换的机理
•     3.7.3 自发参量下转换的类型
•   3.8 光学干涉
•     3.8.1 马赫-曾德尔干涉
•     3.8.2 我们实验所用的偏振型干涉
•   3.9 总结
•   参考文献
• 第四章 序列弱测量
•   4.1 序列弱测量介绍
•   4.2 序列弱值的测量方案
•   4.3 序列弱测量的实验实现
•   4.4 实验结果
•   4.5 本章小结
•   4.6 附录
•     4.6.1 一般的可观测量的弱值和序列弱值
•     4.6.2 泡利型可观测量的弱值和序列弱值
•     4.6.3 实验所测量的泡利型可观测量弱值
•   参考文献
• 第五章 在单光子系统下实现纠缠辅助的弱值放大实验
•   5.1 相关理论回顾
•   5.2 实验方案
•   5.3 实验结果
•   5.4 总结
•   5.5 附录
•     5.5.1 δ和ε的关系
•     5.5.2 指针力学量期望值与弱值的关系
•     5.5.3 没有纠缠辅助的实验装置
•     5.5.4 后选择概率的推导
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈江山

导师: 李传锋,柳必恒

关键词: 弱测量,弱值,序列弱值,后选择,弱值放大,纠缠辅助

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413.1

总页数: 101

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