多次穿過的超穩干涉儀及其高精度測量相位的方法技術

一種多次穿過的超穩干涉儀及其高精度測量相位的方法，設計了一個具有超穩結構的干涉儀，給出了在兩束光中，一束穿過相移器（它的作用是產生一未知的相移φ）多次（即ｑ次，ｑ≥２）而獲得相移ｑＭφ，而另一束光不穿過相移器，但兩束光在全過程中的相對光程（光程差）保持超穩定（即在子波納米級范圍內穩定），對這未知的相位φ進行高精度測量。使用這種超穩干涉儀，利用單光子（Ｍ＝１）、Ｍ糾纏光子或時間上可區分的光子穿過相移器多次都可提高相位測量精度，并可打破標準量子極限。干涉儀簡單可行，光程差超穩定：使用單光子、Ｍ糾纏光子和時間上可區分的光子多次穿過，都可提高測量精度，并打破標準量子極限。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光學相位測量領域，尤其涉及多次穿過的超穩干涉儀及其利用單光 子、M糾纏光子和時間上可區分的光子測量相位，能大幅度提高相位測量精度，并可打破標 準量子極限的測量相位的方法。
技術介紹
眾所周知，測量是所有定量科學的基礎。對于整個科學領域來說，精確測量是至關 重要的。例如，利用光學相位的測量可獲得許多的物理量，如距離、位置、位移、加速度和光 程等，還可進行許多其他的應用。 利用高精度的測量方法，可發現新的物理現象、發展新的物理理論。然而，物理量的測量精度會受到量子力學基本原理一海森堡不確定性原理的限制。在與時間、距離等基礎物理量有關的相位測量中，其測量精度的不確定度與所用粒子數N(例如，光子或離子)成反比，最高精度可達到平均粒子數的倒數1/N，即海森堡極限。業已證明，海森堡極限是量子力學所允許的最高極限。而受噪聲所限的標準量子極限，即噪聲極限，一般是平均粒子數平方根的倒數1/V^。已經有很多實驗表明，相位測量精度可打破標準量子極限，如基于壓縮態和多光子干涉方法等等。但是，由于固有損耗的存在，其測量精度無法逼近海森堡極限，甚至隨光子數的增加而變得更差。如何提高物理量的測量精度已經成為物理學家的重要研究課題。隨著技術的進步，測量水平也在不斷地提高。同時，高精度的光學相位測量有許多重要的應用，包括顯微鏡方法、引力波探測、材料性質的測定以及醫學和生物學的反射 領懂等等。 下面，我們介紹兩種雙光束干涉儀一種是Mach-Zehnder干涉儀，如圖1所示，它 由兩個50 : 50分束器BS1和BS2，以及兩個平面鏡l和2組成。在BSl上輸入模a和模b 光子，其中模d經過相移器(PS，其作用是產生相移小)之后，再在BS2上組合，最后，在模e 和模f上進行探測。該干涉儀在原理上，兩束光的光程差不容易控制，不能保持子波長(納 米)量級的穩定性。在光學干涉儀中，如果相對的光程差保持不變或保持在子波長(納米) 量級的穩定性，稱這個干涉儀具有超穩定性，即它擁有超穩結構。 另一種干涉儀如圖2所示，稱為Nagata干涉儀，它具有內在固有穩定的超穩結構， 它能保證模c和模d的光程差是子波長(納米)穩定。但它只能使模d的光束單次穿過相 移器。 利用量子糾纏進行光學相位測量可提高測量精度而打破標準量子極限。因此，近 來在干涉儀上的許多工作都聚集在利用M糾纏光子MOOM態，gp(|MO〉 + |OM〉)/^ ，或改善、'最近，日本北海道大學Nagata研究小組在實驗上實現了光學高精度相位測量，使 用糾纏四光子干涉，其干涉可見度高于閾值可見度而打破標準量子極限。該項成果發表在 [Science 316 (2007) 726]上。他們的結果為高精度測量應用開創了新的途徑。然而，他們 僅考慮了糾纏光子單次穿過相移器。因此，對單光子或時間上可區分的光子，使用他們的方法都不能打破標準量子極限。 為了克服上述不足，我們期待新型超穩干涉儀的出現，從而使用單光子、M糾纏光 子和時間上可區分的光子測量相位，都可提高相位測量精度，并找到打破標準量子極限的 相位測量方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種多次穿過的超穩干涉儀及其打破標準量子極限的相 位測量方法。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是 多次穿過的超穩干涉儀，包括一個束分器BS和三個單面平面鏡1、2、3，置于水平 面上，以及具有多次穿過的超穩結構的光學元件而組成。超穩結構的光學元件是多次穿過 相移器后，可確保模c和模d光程差穩定在納米級范圍。 其中具體設計了兩個有超穩結構的光學元件，分別表示2次(q = 2)和4次(q = 4)穿過相移器。其中，2次(q = 2)的元件結構是A是一個雙面平面鏡，它可用兩個背靠 背的單面鏡來代替，還有四個單面鏡B、C、D和E，這五個鏡子被固定在垂直面內。4次(q = 4)的元件結構是A是一個雙面平面鏡，它也可用兩個背靠背的單面鏡來代替，還有八個單 面鏡B、 C、 D、 E、 F、 G、 H和I，這九個鏡子被固定在垂直面內。 對于其它更多穿過次數(q > 4)的超穩結構的光學元件，可通過類似的方法得到。 采用多次穿過的超穩干涉儀進行相位測量的方法是設實驗采用的總有效光子數 為N = qM，即一次實驗所用光子數M與多次穿過的次數q的乘積，這里q > 2， M > l，則 N>2。例如，如果多次穿過q = 2，利用單光子M二 l，則N二 1 X 2 = 2，利用雙光子M = 2，則N二 2X2 = 4 ;如果多次穿過q二 4，利用單光子M二 l，則N二 4X1 = 4，利用雙光子 M = 2，則N = 4X2 = 8，依此類推。 基于上述多次穿過q > 2的超穩干涉儀，利用單光子M二 1、M糾纏光子和M可區 分的光子去測量一未知的相位小，本專利技術給出了一種兩束光中其中一束多次穿過同一相移 器，每個光子每穿過相移器一次產生相移小，而一次實驗獲得的相移分別為qXl小=N(K qM小=N4和qM小=N小，而另一束光不穿過相移器，但兩束光的相對光程差穩定在納米 級范圍。 一次實驗的有效光子數分別為qX 1 = N，qM = N和qM = N。則測量相位小的精 度分別為1/(qXl) = 1/N，l/(qM) = 1/N和l海)=1/N。它們對應的標準量子極限為1/V^T-1/a/F ，1/V^^1/a/^和1/V^^1/a/^。可以看出，由于N > 2，多次穿過可打 破標準量子極限。 采用單次穿過的方法，設實驗采用的總有效光子數為N = qM，這里q > 2， M > 1， 則N > 2，這與多次穿過的一次實驗對應所用的有效光子數相同。在理論上，如果利用單光 子(M= 1)、M糾纏光子和M可區分的光子測量一未知的相位(K每次實驗產生的相移分別 為(K M小和M小。每一次實驗所用的光子數為1， M和M，實驗的次數分別為N， q和q，則 實驗使用的總光子數分別為1XN = N，qM = N和qM = N。因此，測量小精度A小分別為V#岸A) = ，/V )和l/(MVgO = ，/A)。 所以，在理論上，多次穿過的測量精度要高于單次穿過的精度，利用單光子(M = 1)、M糾纏光子和M可區分的光子測量相位cK分別提高了V^， V 和V^倍。多次穿過可提高相位測量精度，并可打破標準量子極限。 在實驗上，通過多次穿過，q > 2，輸入M光子，有效光子數為N二 qM，在同一個分 束器(BS)上重新組合之后，如果在模e上探測M光子的概率是Pe二 n (l-cosqM小)/2，或 在模e上探測x個光子和在模f上探測y個光子的概率是P，f = n (l-cosqM小)/2，其中，M= X+y，X和y表示探測的光子數，X，y >0。其中，^為內在固有效率。利用光子探測概率，可估算相位小。如果實驗上測得干涉條紋的可見度為V，測量相位小的精度為A小= 1/(VqM) = 1/(VN)。對應的閾值可見度為J^ =1/7^ = 1/7^ 。如果Vth^ l，在實驗上， 所得測量精度A小不可能打破標準量子極限，因為V不可能大于1 ;如果V〉Vth，就有A小 < (A小)觀，對應的測量精度A小就打破了標準量子極限。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多次穿過的超穩干涉儀，包括一個束分器ＢＳ和三個單面平面鏡（１、２、３），置于水平面上，以及具有多次穿過的超穩結構的光學元件，超穩結構的光學元件多次穿過相移器后，可確保模ｃ和模ｄ光程差穩定在納米級范圍，其特征在于：設計了兩個有超穩結構的光學元件，分別表示２次（ｑ＝２）和４次（ｑ＝４）穿過相移器；其中，２次（ｑ＝２）的元件結構是：Ａ是一個雙面平面鏡，它可用兩個背靠背的單面鏡來代替，還有四個單面鏡Ｂ、Ｃ、Ｄ和Ｅ，這五個鏡子被固定在垂直面內；４次（ｑ＝４）的元件結構是：Ａ是一個雙面平面鏡，它也可用兩個背靠背的單面鏡來代替，還有八個單面鏡Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ和Ｉ，這九個鏡子被固定在垂直面內；對于其它更多穿過次數（ｑ＞４）的超穩結構的光學元件，可通過類似的方法得到。

【技術特征摘要】
一種多次穿過的超穩干涉儀，包括一個束分器BS和三個單面平面鏡(1、2、3)，置于水平面上，以及具有多次穿過的超穩結構的光學元件，超穩結構的光學元件多次穿過相移器后，可確保模c和模d光程差穩定在納米級范圍，其特征在于設計了兩個有超穩結構的光學元件，分別表示2次(q＝2)和4次(q＝4)穿過相移器；其中，2次(q＝2)的元件結構是A是一個雙面平面鏡，它可用兩個背靠背的單面鏡來代替，還有四個單面鏡B、C、D和E，這五個鏡子被固定在垂直面內；4次(q＝4)的元件結構是A是一個雙面平面鏡，它也可用兩個背靠背的單面鏡來代替，還有八個單面鏡B、C、D、E、F、G、H和I，這九個鏡子被固定在垂直面內；對于其它更多穿過次數(q＞4)的超穩結構的光學元件，可通過類似的方法得到。2. 根據權利要求1所述的多次穿過的超穩干涉儀的測量相位的方法，其特征在于設實驗采用的總有效光子數為N = qM，即一次實驗所用光子數M與多次穿過的次數q的乘積，這里q > 2，M > l，則N》2，如果多次穿過q = 2，利用單光子M = l，則N二 1X2 = 2，利用雙光子M二 2，則N二 2X2 = 4 ;如果多次穿過q二 4，利用單光子M二 l，則N二 4X1 =4，利用雙光子M二 2，則N二 4X2 = 8，依此類推。3. 根據權利要求1所述的多次穿過的超穩干涉儀的測量相位的方法，其特征在于利用單光子M二 1、M糾纏光子和M可區分的光子去測量一未知的相位(K本發明給出了一種兩束光中其中一束多次穿過同一相移器，每個光子每穿過相移器一次產生相移小，而一次實驗獲得的相移分別為qXl小二N(KqM小=N4和qM小=N小，而另一束光不穿過相移器，但兩束光的相對...

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏立新，陳翠云，
申請(專利權)人：河南科技大學，
類型：發明
國別省市：41[中國|河南]