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相干反馈增强型量子混合干涉仪

量子光学学报 2023年第2期29卷 30-40页

作者：刘攀于志飞黄文峰吴媛陈丽清华东师范大学物理与电子科学学院上海200241

本文在理论上提出了一种由非线性分束器和线性合束器构成的量子混合干涉仪,其中非线性分束器是由非线性参量过程结合量子压缩源的线性相干反馈构成,用于提高量子混合干涉仪相位灵敏度。具体而言,光学参量放大输出的光束与量子压缩源线... 详细信息

本文在理论上提出了一种由非线性分束器和线性合束器构成的量子混合干涉仪,其中非线性分束器是由非线性参量过程结合量子压缩源的线性相干反馈构成,用于提高量子混合干涉仪相位灵敏度。具体而言,光学参量放大输出的光束与量子压缩源线性反馈至输入端,获得一对纠缠度可控的双模压缩光束,结合线性合束器,构建反馈型量子混合干涉仪。结果表明,相比于无反馈量子混合干涉仪,本方案通过调节反馈强度至合适区间,可以在增加相敏光子数实现干涉信号强度提高的同时,增强两干涉臂之间纠缠度进而减小干涉噪声。此外,将压缩真空态作为反馈环结构的输入态,能够进一步降低探测信号的噪声。因此,本方案从以上三个方面有效地提升混合干涉仪的测量灵敏度,甚至在有损的情况下,相比于无反馈情形,该反馈型量子混合干涉仪仍具有更好的相位灵敏度,表现出更好的抗损能力,有望应用在量子精密测量领域。

关键词：相干反馈量子纠缠干涉仪相位灵敏度

相干反馈相位对腔光力系统中正交模劈裂的影响

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量子光学学报 2023年第2期29卷 59-67页

作者：李悦王义建孙恒信刘奎郜江瑞量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学光电研究所山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

强耦合是腔光力系统用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件,系统进入强耦合的明显标志是正交模劈裂。本文理论分析了加入光学参量放大器和相干反馈的光力系统中的正交模劈裂现象,并讨论分析了反馈回路的光... 详细信息

强耦合是腔光力系统用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件,系统进入强耦合的明显标志是正交模劈裂。本文理论分析了加入光学参量放大器和相干反馈的光力系统中的正交模劈裂现象,并讨论分析了反馈回路的光学相位对正交模劈裂的影响。在不同参数情况下,如光学参量放大器参量增益、反馈分束器的反射系数和输入光功率等,模式位置和线宽随相移的变化。结果表明:在其他参数一定时,通过调节反馈相位,初始无模式劈裂的系统随相位变化出现模式劈裂并达到最大的模式间隔,从而从弱耦合进入强耦合状态。而且,多个参数的协同调节,可有效提高模式劈裂的程度。该研究为实验上增强光力耦合强度的实验调节提供了方便,可广泛用于光力系统的弱力灵敏探测以及宏观量子态产生与测量等。

关键词：正交模劈裂光学参量放大相干反馈强耦合

基于相干反馈的连续变量两组份和三组份纠缠态增强的理论研究

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基于相干反馈的连续变量两组份和三组份纠缠态增强的理论研究

作者：张昭安徽师范大学

学位级别：硕士

量子信息论是利用遵守量子理论规则的物理系统研究通信和信息处理任务,它扩展和完备了经典信息论。量子纠缠是量子信息领域中的非局域“信息源”,它通常作为信息的传输和处理的媒介来实现高安全的通信以及高效的计算。连续变量纠缠态光... 详细信息

量子信息论是利用遵守量子理论规则的物理系统研究通信和信息处理任务,它扩展和完备了经典信息论。量子纠缠是量子信息领域中的非局域“信息源”,它通常作为信息的传输和处理的媒介来实现高安全的通信以及高效的计算。连续变量纠缠态光场是连续变量量子信息领域的基本资源,高质量纠缠态光场是实现高保真度量子信息传输的重要资源,获取高质量纠缠态光场是量子信息发展的关键。非简并光学参量放大器是制备纠缠态光场有效的手段之一,但是受限于光学元器件与光学晶体本身性能的不完美,单个的非简并光学参量放大器输出纠缠态光场纠缠度通常有限。量子操控的方法是通过对光场的操控来实现较为复杂的量子信息过程,其中相敏操控和相干反馈控制是两种常用的操控光场的手段。基于非测量的量子相干反馈控制,因其整个过程没有必要的测量步骤而不会引入额外的损耗,被认为是一种较为理想的操控手段。因此,利用相干反馈控制非简并光学参量放大器进一步提高纠缠态光场的纠缠度,从而获取高质量纠缠态光场就具有现实意义。基于此,本文拟利用相干反馈操控方案增强纠缠态光场的纠缠特性,这将为高质量两组份以及三组份纠缠态光场的实验制备提供理论支撑。本文主要内容:(1)构建相干反馈和级联系统理论模型,对比分析相干反馈和级联系统输出两组份纠缠态光场的纠缠特性与不同物理参量之间的依赖关系。(2)设计新的相干反馈控制纠缠态光场中单个光束的理论方案,对比分析双路相干反馈和单路反馈控制系统输出两组份纠缠态光场的纠缠特性与不同物理参量之间的依赖关系。(3)设计级联非简并光学参量放大器产生三组份纠缠态光场的理论方案,构造相干反馈控制级联非简并光学参量放大器的系统,分析相干反馈系统输出三组份纠缠态光场的纠缠特性与不同物理参量之间的依赖关系。

关键词：相干反馈非简并光学参量放大器纠缠态光场纠缠增强

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量子系统的相干反馈控制及其应用

量子系统的相干反馈控制及其应用

作者：吴小妹江西师范大学

学位级别：硕士

反馈控制是一种重要的控制方法,常用于维持各种系统的稳定性和控制系统输出信号的品质。随着量子理论和量子技术的发展,反馈控制不仅在经典系统的控制中发挥着重要作用,也逐渐被应用于控制量子系统。其中,相干反馈控制是一种无需测量、... 详细信息

反馈控制是一种重要的控制方法,常用于维持各种系统的稳定性和控制系统输出信号的品质。随着量子理论和量子技术的发展,反馈控制不仅在经典系统的控制中发挥着重要作用,也逐渐被应用于控制量子系统。其中,相干反馈控制是一种无需测量、全程保持量子相干性的量子反馈,被广泛应用于操纵各类量子系统和增强各种量子效应,如相干反馈控制增强光场的压缩度、增强纠缠、增强系统稳定性、提升测量精度以及诱导光透明现象等。本论文主要通过采用线性和非线性的相干反馈控制来操控光学系统的输出特性,并将其应用到提升相位测量灵敏度以及增强光信号的时域有序性,具体内容如下:在第一个工作中,我们采用含有非线性克尔介质的相干反馈回路来控制一个线性光学谐振腔的输出光性质。结果表明,由于非线性介质的存在,输出光在共振频率附近可以出现不对称和双稳的透明窗口。我们还发现非线性相干反馈可比线性相干反馈群延迟的峰值更高,且随着非线性系数增大,输出光的透射都为1,群延迟的峰值却在增大。若将该系统应用于慢光或光延迟装置,含有非线性介质的反馈要比线性反馈情况下的慢光效应更佳。同时,透射峰的不对称使得系统的输出光的透射率敏感地依赖于系统的各参数,因此我们研究了光场的透射率对相位的变化关系,在临近双稳的参数区,光场透射率对相位的变化有非常大的斜率,即透射光强能敏感地响应相位的变化。基于此现象,我们将该模型应用于相位的灵敏探测。本文通过利用输入输出方法和((?),(?),(?))量子网络方法推导出模型中系统腔和控制腔的算符随时间演化的动力学方程,在全量子框架下,采用零差探测的方式研究了相位灵敏度随相位的变化关系,可以看出,非线性相干反馈相比于线性反馈可以提高相位灵敏度,从我们的结果可以看出灵敏度函数值降低了5.3d B,但不是非线性系数越大灵敏度就越好,我们需要调节一个适中的非线性系数,这些结果为设计高灵敏的相位传感的参数选取提供了可靠的理论依据。在第二个工作中,我们研究了线性系统中白噪声引起的时域有序信号及其反馈增强。我们发现不需要非线性,仅仅依靠白噪声可以在线性光学系统产生较为有序的准周期信号。研究发现该周期并非凭空产生,而是系统的内秉周期。若无噪声,该周期振荡会因为衰减的存在而很快消失;而噪声的存在可以将周期振荡以一定程度的保持。该现象本来就存在于自然界中,但是噪声引起的周期性很弱,常被忽视。针对此,我们利用相干反馈这一无需测量的反馈控制来增强该周期信号,于是在线性系统中实现了白噪声引起的显著的周期信号,有效地将白噪声这一无序能量向可输出的有序周期信号进行部分转移。我们的研究结果为有效控制线性系统中白噪声诱导的相干振荡提供了一种方法,并进一步揭示了噪声和线性系统之间的相互作用。

关键词：相干反馈相位灵敏度噪声诱导有序性克尔非线性

腔光力学系统中基于光学参量放大和相干反馈的正交模劈裂

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腔光力学系统中基于光学参量放大和相干反馈的正交模劈裂

作者：李悦山西大学

学位级别：硕士

腔光力学结合了光学腔和力学,主要研究腔内光场与机械振子之间通过辐射压力的相互作用,是近年来量子光学领域的热点。腔光力学系统可用于研究宏观量子现象,如机械压缩态、机械纠缠态等,而且还可以直接产生光场的正交压缩与正交纠缠。一... 详细信息

腔光力学结合了光学腔和力学,主要研究腔内光场与机械振子之间通过辐射压力的相互作用,是近年来量子光学领域的热点。腔光力学系统可用于研究宏观量子现象,如机械压缩态、机械纠缠态等,而且还可以直接产生光场的正交压缩与正交纠缠。一般情况下,系统需要进入强耦合区域,许多量子现象才可以显现,否则量子现象可能被经典噪声淹没,因此,强耦合是用于产生和观察许多宏观量子现象(如光力压缩态和纠缠态等)的基本条件。正交模劈裂是系统进入强耦合区域的一个明显标志。本论文围绕由光学腔和可动镜组成的腔光力学系统进行研究,开展了以下工作:1.从理论上分析了基于光学参量放大和相干反馈两者相结合的方案下,可动镜位移谱及输出光场强度谱的正交模劈裂。在激光旋转框架下写出系统的哈密顿量后,然后利用海森堡运动方程并加上相应的反馈项、阻尼项和噪声项等得到朗之万运动方程,并在频域下求解,得到了频谱下可动镜位置和输出场的表达式。同时在满足系统的稳定性条件下,绘制了模式位置和线宽随参量增益、参量相位和输入激光功率的变化图。分析发现:参量增益,参量相位和输入光功率随反馈强度表现出非常相似的变化趋势,这种相似性是由于不同参量都引起了内腔功率变化。发生正交模劈裂的范围和对应的模式劈裂都依赖于多个参数,如输入激光功率,反馈强度,参数增益等,并通过多参数调节优化实现更明显的正交模劈裂,为实验上实现强耦合系统提供了理论依据。2.从理论上进一步分析了相干反馈相位对可动镜位移谱和输出场功率谱的影响。结果表明:对于某一固定的参量放大器增益、注入光功率和相干反馈的反射系数,正交模劈裂的间隔和线宽都随反馈相位变化而变化,一般是在相干反馈相位为零附近,模式劈裂较为明显。与之前只加入正反馈或负反馈相比,可优化反馈相位来增强正交模劈裂。这为我们增大光力耦合强度及正交模劈裂提供了方便,这些结果为实现更强的光力耦合提供了一条途径,可应用于宏观机械振子的基态冷却、光力学量子态和弱力的灵敏感探测。

关键词：腔光力学系统正交模劈裂光学参量放大相干反馈强耦合

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级联四波混频相干反馈控制系统量子纠缠特性

物理学报 2020年第13期69卷 23-30页

作者：仲银银潘晓州荆杰泰华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200062 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

本文在级联四波混频结构基础上,利用光学分束器作为反馈控制器理论构造了一种相干反馈控制系统.考虑相干反馈回路中光束传输损耗以及原子对光束吸收损耗,通过计算系统的协方差矩阵以及利用部分转置正定判据,分析了该系统在不同反馈强度... 详细信息

本文在级联四波混频结构基础上,利用光学分束器作为反馈控制器理论构造了一种相干反馈控制系统.考虑相干反馈回路中光束传输损耗以及原子对光束吸收损耗,通过计算系统的协方差矩阵以及利用部分转置正定判据,分析了该系统在不同反馈强度、增益以及相位下的纠缠特性.结果表明,系统存在真正的三组份纠缠,但是反馈控制器过度反馈会破坏系统的三组份量子纠缠特性.另外,将相位设为180°,通过适当改变增益大小以及在0.1—0.4范围内调节分束器反射率的大小可以增强系统的量子纠缠程度.本文为实验上基于级联四波混频相干反馈控制系统制备多组份纠缠奠定理论基础,在量子通信领域有着潜在应用.

关键词：四波混频相干反馈量子纠缠

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利用量子反馈提高光力体系非经典性质的研究

利用量子反馈提高光力体系非经典性质的研究

作者：罗雅琴华中师范大学

学位级别：硕士

近年来,有关腔光力学中的量子现象的研究是量子光学领域中人们较为关注的研究内容之一。腔光力系统通过光的辐射压将腔场和机械振子耦合起来,为研究宏观体系的量子性质提供了一个好的平台。借助于光力耦合,人们可以利用量子光学实验上... 详细信息

近年来,有关腔光力学中的量子现象的研究是量子光学领域中人们较为关注的研究内容之一。腔光力系统通过光的辐射压将腔场和机械振子耦合起来,为研究宏观体系的量子性质提供了一个好的平台。借助于光力耦合,人们可以利用量子光学实验上已成熟的技术实现光腔对机械振子量子态的调控,或利用机械振子实现对光腔量子性质的调控。另一方面,由于系统与环境不可避免的耦合导致的退相干现象,使得体系的量子性质减弱或者消失,为了增强体系的量子性质,人们可以利用量子库工程、量子反馈等手段来实现体系抗热环境干扰能力强的量子态。量子非局域性从二十世纪三十年代提出以来,一直是重要的研究课题并且受到广泛的关注和应用,量子非局域性包括量子纠缠、量子引导(EPR steering)、贝尔非局域性(Bell nonlocality),是量子物理世界与经典物理世界的主要区别之一,也是量子信息处理的资源。本文研究通过引入量子反馈来提升腔光力体系的非经典性质。首先本文简单介绍了腔光力系统的相关知识和双模高斯态的纠缠、量子引导、贝尔非局域性的判据。接下来我们研究包含非简并参量下转换下的双模光腔力系统,利用量子反馈来提高两个机械振子间的纠缠,并实现量子引导和贝尔非局域性。此系统中的两腔场因下转换作用形成量子纠缠,又由于腔场与振子之间存在线性光力混合,致使腔场将其纠缠传递给振子,形成振子间的纠缠。因非简并参量下转换产生的最大稳定压缩程度只能达到真空涨落压缩的一半,从而限制了稳定区域振子间的纠缠度,且此时振子间不展现量子引导。我们研究发现通过引入基于测量的量子反馈作用于腔场,使得在稳定区域振子间的量子纠缠得到明显的提高,并且此时振子间不仅展现出量子引导,同时存在贝尔非局域性,并且在满足一定参数条件下,振子处于一个近似的双模压缩真空态。上述数值计算结论与绝热近似后得到的解析情况一致。其次,我们讨论利用相干反馈来提升体系腔输出场的压缩。以单模腔光力系统为研究对象,机械振子(透明薄膜)位于两端腔中间,腔与机械振子之间形成光力耦合。研究表明:将腔的右端输出的光场直接反馈回左端腔镜作为输入场,反馈明显提升了系统腔输出场的压缩。并且无论相干反馈过程是否存在延时,均能较大的提升腔场的压缩。

关键词：腔光力系统高斯态测量反馈相干反馈量子纠缠量子引导贝尔非局域

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液晶随机激光辐射研究进展

激光与光电子学进展 2008年第9期45卷 16-24页

作者：周利兵刘劲松王可嘉吕健滔刘海樊婷华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室

随机激光辐射源自激活无序介质,通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈,无需外加谐振腔。借助液晶的温度和电场依赖性,以液晶为无序介质的随机激光辐射能够呈现出有效的温度控制特性和电场控制特性,为随机激光器的实际应用开辟了新... 详细信息

随机激光辐射源自激活无序介质,通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈,无需外加谐振腔。借助液晶的温度和电场依赖性,以液晶为无序介质的随机激光辐射能够呈现出有效的温度控制特性和电场控制特性,为随机激光器的实际应用开辟了新的方法和途径,具有巨大的应用前景。系统介绍了液晶随机激光辐射的基本原理、实现方法及实验结果,回顾了目前的研究现状,提出了以后可能的研究方向。

关键词：随机激光液晶多重散射相干反馈非相干反馈