1 山西农业大学物理系，山西 太谷030801
2 中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710000
本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中，高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型，定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型，理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下，重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率，在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下，在分析频率3 MHz处，直接测得光功率为200 μW、压缩度为10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB，表明在本文实验系统中，高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。
量子光学 明亮压缩态 高功率 热透镜效应 光学学报
2023, 43(21): 2127001
Author Affiliations
Abstract
Engineering Faculty, Electrical and Electronic Department, Cankaya University, Ankara, Turkey
This study focuses on generating and manipulating squeezed states with two external oscillators coupled by an InP HEMT operating at cryogenic temperatures. First, the small-signal nonlinear model of the transistor at high frequency at 5 K is analyzed using quantum theory, and the related Lagrangian is theoretically derived. Subsequently, the total quantum Hamiltonian of the system is derived using Legendre transformation. The Hamiltonian of the system includes linear and nonlinear terms by which the effects on the time evolution of the states are studied. The main result shows that the squeezed state can be generated owing to the transistor’s nonlinearity; more importantly, it can be manipulated by some specific terms introduced in the nonlinear Hamiltonian. In fact, the nonlinearity of the transistors induces some effects, such as capacitance, inductance, and second-order transconductance, by which the properties of the external oscillators are changed. These changes may lead to squeezing or manipulating the parameters related to squeezing in the oscillators. In addition, it is theoretically derived that the circuit can generate two-mode squeezing. Finally, second-order correlation (photon counting statistics) is studied, and the results demonstrate that the designed circuit exhibits antibunching, where the quadrature operator shows squeezing behavior.
quantum theory squeezed state cryogenic low noise amplifier InP HEMT Journal of Semiconductors
2023, 44(5): 052901
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 教育部光电信息技术科学重点实验室，天津 300072
实验演示了一台小型化的全光纤强度差压缩态光源。该光源采用色散位移光纤作为非线性介质，其脉冲泵浦光的重复频率约为50 MHz，具有结构稳定、体积小的优点。采用宽带宽差分探测器，在较宽的分析频率范围内对该光源的强度差压缩特性进行测量分析。结果表明：室温下该光源的频率小于65 MHz时，测得的强度差噪声低于散粒噪声极限；在频率为20 MHz处测到了约3.8 dB的强度差压缩。本研究为后续在时域上测量强度差压缩奠定了基础。
压缩态光场 强度差压缩态光源 光纤参量放大器 连续变量量子光源 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106031
1 山西大学光电研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
3 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
在理论分析的基础上，利用光电二极管的固有结电容和可变电感构成共振电路实现光电探测。通过精简电路并对电路板进行精密布板设计，降低由原内部混频电路带来的杂散寄生电容的影响；利用选定低噪声芯片、低转换损耗混频器及滤波器隔离噪声，构建高信噪比的集成化共振型光电探测器（RPD），并实现了对特定调制信号的高效探测。实验结果表明：在相同条件下，RPD增益在共振频率下比商用宽带探测器（BPD）高大约30 dB。利用RPD获得的锁腔误差信号的峰峰值是BPD的16倍，其误差信号的信噪比比现有BPD高18 dB左右。可见，此RPD能够为高性能压缩态光场制备提供器件支持。
量子光学 共振电路 光电探测 集成化 高信噪比 压缩态
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001
针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题，利用量子压缩效应来提升时延估计精度，同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案，对目标存在的回波信号进行统计判断，从而确定距离参数。在相干探测的基础上，分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性，并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明，相较于传统测距方法，利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率，性能上优于经典方案，且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。
量子光学 无线电导航 量子照明 量子纠缠 压缩态 脉冲测距
1 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室，光电研究所，极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
2 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
1981年，Caves教授首次提出“压缩态”的概念，并指出利用压缩态光场可以提高激光干涉引力波探测的灵敏度。在过去的四十年，压缩态光场不仅成功用于突破标准量子极限的引力波探测、位移测量、位相测量等量子精密测量领域，而且基于单模压缩态制备的双模压缩态和多组份纠缠态也在量子计算、量子通信等量子信息处理中扮演着重要的作用。本文简要介绍了压缩态光场的基本概念、制备、探测方法及其在量子精密测量、量子通信、量子计算中的应用进展。
量子光学 压缩态 纠缠态 量子精密测量 量子通信 量子计算 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1100001
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
高精度光学干涉仪是实现精密测量的重要工具之一,干涉仪的最终灵敏度受限于真空起伏决定的标准量子极限(SQL)。利用量子资源可以实现突破SQL的相位测量。在基于光学参量放大器(OPA)的量子干涉仪中,将干涉仪两臂中OPA产生的相位压缩态直接作为相敏量子态,通过同时降低散粒噪声和放大相敏场强可以使其灵敏度无条件地突破SQL。然而,量子态对损耗是非常敏感的。通过分析量子干涉仪的各种损耗对其灵敏度的影响,得出了量子干涉仪灵敏度与各种损耗的依赖关系。同时,通过分析灵敏度与分析频率等其他物理参量的关系, 得出了进一步优化系统灵敏度、带宽等性能的实验参数。
1 湖北理工学院电气与电子信息工程学院精密光学测量实验室，湖北 黄石 435003
2 湖北工业大学机械工程学院湖北省现代制造工程重点实验室，湖北 武汉 430068
由于具有超高灵敏度，激光干涉测量被广泛应用于基础科学研究和技术开发领域。然而，低频经典噪声（小于1 Hz）占据干涉仪系统噪声贡献的主导地位，实现亚散粒噪声极限的低频激光干涉测量仍然面临巨大挑战。以亚赫兹低频物理信号为探测目标，采用激光偏振自由度作为干涉仪内部光能量分离通道的方法，解决激光干涉信号读出方案中本振光难以获取的关键难题；使用双频工作激光将低频位移信号在系统输出端转换为高频交流光电信号，自然地避开1 Hz频段电子学噪声的技术难题等，为量子噪声极限超低频率激光干涉、干涉信号的读出方法等提供重要的理论指导和实验支持，有望为地面引力波天线的升级改造提供具有参考价值的路径和方案。
量子光学 激光干涉 外差探测 压缩态 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0127001
1 苏州大学 江苏 苏州 215006
2 上海航天电子技术研究所, 上海 201109
量子微波兼具量子信号的量子特性以及微波频段信号的中远距离传播的能力, 在通信、雷达、导航和定位等诸多方面具有广阔的应用前景。本文针对目前在量子微波接收方面的研究相对较少的现状, 总结和分析了量子微波的特性及其接收方法。首先, 介绍微波单光子、纠缠微波光子对以及压缩态和纠缠态微波场的特性和制备方法; 然后, 重点梳理和总结量子微波在量子雷达以及相关物理系统中的接收方法、检测方法、和研究现状; 最后, 指出量子微波接收技术中存在接收端探测信号较弱、微波频段量子纠缠态检测技术不够成熟, 以及量子检测算符有待进一步最优化等问题。针对这些问题, 梳理了几种降低接收端的噪声, 提高探测信号的信噪比, 以及基于纠缠见证的路径纠缠微波检测方案, 从而完成了量子微波从制备到接收的一个完整链路的梳理工作, 希望能为量子微波发射和接收系统技术的发展提供一些参考。
量子微波 量子微波雷达 回波接收 微波单光子 纠缠光子对 压缩态 纠缠态微波场 quantum microwave quantum microwave radar echo receiving single microwave photon entangled microwave photon pair squeezed state entangled state microwave fields
山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原 030006
随着精密测量的发展, 量子噪声已经成为精密测量中的重要噪声来源。借助光场的压缩、量子纠缠等非经典特性的测量手段突破量子噪声极限, 从而提高测量精度; 另一方面, 无噪声放大技术可以实现信号的无噪声放大, 从而提高测量的信噪比。本文结合压缩态及无噪声放大技术的优势, 实现了一种基于无噪声放大的量子精密测量增强方案, 与经典测量相比, 信噪比增强到2.00倍。
精密测量 信噪比 光场压缩态 无噪声放大 precision measurement signal-to-noise ratio squeezed state noiseless amplification
