發(fā)布時(shí)間：2021-02-03 15:32

　　精密測(cè)量在物理學(xué)研究中非常重要,主要應(yīng)用于精確測(cè)量各種物理量。但是其測(cè)量精度在經(jīng)典范圍內(nèi)受到了標(biāo)準(zhǔn)量子極限的限制。為了提升測(cè)量精度,科學(xué)家們提出了量子精密測(cè)量。量子精密測(cè)量大多數(shù)的研究都集中在如何減小噪聲,而量子無(wú)損測(cè)量可以避免測(cè)量中引入“back‐action”噪聲,從而突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。干涉儀是實(shí)現(xiàn)量子無(wú)損測(cè)量的一種重要的方式。近兩年,光‐原子混合SU（1,1）干涉儀受到了很大的關(guān)注。因?yàn)楦缮鎯x的兩個(gè)干涉臂分別是光和原子,兩臂之間具有量子關(guān)聯(lián),可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,并且測(cè)量的范圍也更廣。于是有人提出基于光‐原子混合SU（1,1）干涉儀進(jìn)行量子無(wú)損測(cè)量并得到了不錯(cuò)的結(jié)果。但是該工作沒(méi)有考慮損耗對(duì)于該量子無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的影響。損耗在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法避免,且會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。針對(duì)這個(gè)情況,我們做了如下的工作:首先我們提出損耗情況下的光‐原子混合干涉儀對(duì)未知光場(chǎng)的光子數(shù)進(jìn)行量子無(wú)損測(cè)量的理論模型。根據(jù)損耗情況下的干涉儀的輸入輸出關(guān)系,結(jié)合量子無(wú)損測(cè)量的判據(jù),得到了該量子無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)判據(jù)的理論公式。其次,我們分別代入了熱原子系統(tǒng)和冷原子系統(tǒng)的實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件,重點(diǎn)分析當(dāng)干涉儀存在各類損耗時(shí),... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

全光馬赫-曾德干涉儀工作原理圖，其中是相敏光強(qiáng)，LO是平衡零拍探測(cè)所需要的本地振蕩光，引自[9]

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文8光場(chǎng)的相位正交算符。之后可以采取包括四波混頻等手段將其中一個(gè)分量的噪聲壓縮，而與此同時(shí)根據(jù)不確定性原理，另外一個(gè)正交分量的噪聲將會(huì)相應(yīng)的增加。通過(guò)這樣的操作，在我們關(guān)注的這個(gè)分量上，噪聲得到了降低，這就是壓縮態(tài)。理論上這種方法可以將干涉儀的靈敏度提升到1//[15]。2.2.2原子SU(2)干涉儀通過(guò)德拜的物質(zhì)波理論我們知道，波動(dòng)性并不是光波所獨(dú)有的性質(zhì)，所以干涉其實(shí)不僅僅局限于光波干涉這一種形式。1991年，第一個(gè)中性原子物質(zhì)波干涉儀16被設(shè)計(jì)出來(lái)之后，原子干涉設(shè)備的發(fā)展便變得十分的迅猛，被廣泛的應(yīng)用于很多基礎(chǔ)物理量的測(cè)量上，尤其是重力系數(shù)g的測(cè)量。圖（2.2）是一個(gè)典型的馬赫‐曾德原子干涉儀的示意圖： 圖2.2：馬赫-曾德原子干涉儀的示意圖，引自[17]類似于全光干涉儀，原子干涉儀的要素也是源和操作波的手段。讓我們先從源開(kāi)始。常用的源有兩種，一種是原子束，另一種是冷原子云和玻色愛(ài)因斯坦凝聚物，它們之間各有優(yōu)劣。原子束的優(yōu)點(diǎn)是原子流密度比較大，通常是10/17。可以進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，這對(duì)于某些干涉實(shí)驗(yàn)很有作用。相比較于原子束，冷原子云的優(yōu)勢(shì)在于其動(dòng)量的分布比原子束窄的多，并且其相干時(shí)間也遠(yuǎn)大于原子束。此外裝置的大小也是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)決定性的因素，原子束的運(yùn)動(dòng)速度很快，因此它的裝置通�？梢赃_(dá)到幾米的，而冷原子云僅僅只需要幾毫米。較小的裝置意味著便利性和穩(wěn)定性，當(dāng)然具體的選擇還是取決于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需求。

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文9原子干涉儀對(duì)于原子的操作的機(jī)制是利用拉曼脈沖和原子產(chǎn)生受激拉曼作用進(jìn)行分束合束以及相位的移動(dòng)。具體是原子受到兩個(gè)相反傳播的光場(chǎng)的作用，它們的波矢之差稱之為有效波矢，頻率之差稱之為有效頻率。而無(wú)論什么物理過(guò)程，它都遵循動(dòng)量和能量守恒定律。在經(jīng)歷了受激拉曼過(guò)程后，原子得到了或者減少了的動(dòng)量，其內(nèi)態(tài)也從基態(tài)躍遷到了亞穩(wěn)態(tài)即|→|。之后便是通過(guò)脈沖光進(jìn)行相干的分束，相位移動(dòng)以及合束。具體是使用/2→→/2的脈沖光序列。首先是π/2的脈沖光，這個(gè)光束使得處于|，態(tài)的原子的動(dòng)量沒(méi)有發(fā)生改變，而|，的態(tài)獲得了兩個(gè)反向光束的動(dòng)量和，實(shí)現(xiàn)了分束過(guò)程。而原子的態(tài)由原來(lái)的基態(tài)激發(fā)到了它們的相干疊加態(tài)。其次，就是使用受激拉曼過(guò)程實(shí)現(xiàn)全光干涉儀中的反射鏡功能。當(dāng)π脈沖光照射到原子上時(shí)，會(huì)使得兩個(gè)基態(tài)上的原子從一個(gè)基態(tài)躍遷到另一個(gè)基態(tài)。但是此時(shí)光子的動(dòng)量已然作用于原子之上，使得原子的波包重新選擇運(yùn)動(dòng)的方向。合束過(guò)程和分束過(guò)程的原理類似，這里就不再多加描述。圖2.3：原子干涉儀中的受激拉曼過(guò)程，引自[17]當(dāng)然，除了光場(chǎng)對(duì)于原子可以進(jìn)行操控之外。電磁場(chǎng)以及光柵都可以實(shí)現(xiàn)類似于光場(chǎng)的效果，只不過(guò)光場(chǎng)使用的更加的廣泛。2.2.3光‐原子混合SU(2)干涉儀通過(guò)之前的介紹我們知道了光波和物質(zhì)波都可以作為干涉的介質(zhì)，但是之前的無(wú)論是全光干涉儀還是原子干涉儀，其中的干涉介質(zhì)都是單一的。而不同種類的干涉介質(zhì)也可以發(fā)生干涉，光‐原子混合SU(2)干涉儀就是一個(gè)例子。光‐原子混

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]基于干涉儀的量子增強(qiáng)測(cè)量應(yīng)用研究[D]. 陳樹(shù)英.華東師范大學(xué) 2019



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