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 山西大学激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
3 山西大学 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内，在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前，基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施，其中在干涉仪的激光光源系统中，需要抑制激光强度噪声及频率噪声等，光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件，其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上，采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计；在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制；结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试，并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明：所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10−5 V/Hz1/2以下，小于空间引力波探测对激光光源噪声要求；进一步当入射光功率为400 μW时，测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上；激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10−2 V/Hz1/2，实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征，为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。
空间引力波探测 平衡零拍探测 真空噪声 对数轴谱密度算法 space-based gravitational wave detection balanced homodyne detection vacuum noise LPSD 红外与激光工程
2022, 51(6): 20220300
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 密码科学技术国家重点实验室，北京 100878
为了实现量子随机数实时安全高速后处理，在实验上利用平衡零拍探测将采集得到的量子真空噪声中的4个相互独立的高频边带模式作为熵源，在单通道240 MSa/s采样率、16位模数转化条件下进行四路并行提取，并在现场可编程门阵列（FPGA）中完成多路实时Toeplitz-Hash安全高速后处理。实现了大规模Toeplitz矩阵分解及多周期分布处理，从而保证了硬件的稳定运行；研究了不同矩阵规模和通道数下安全后处理的硬件资源占有率，最终在四路Toeplitz-Hash后处理条件下，实现了FPGA逻辑资源占有率为62%、实时速率为10.44 Gbit/s的量子随机数生成。每两路通道之间量子随机数的互相关和互信息分别在10-3和10-6以下，且合并输出的量子随机数通过了NIST、Diehard和TestU01测试，为其在高速保密通信的实际应用中提供重要支撑。
量子光学 量子随机数发生器 多路实时后处理 现场可编程门阵列 平衡零拍探测 光学学报
2022, 42(23): 2327003
山西大学物理电子工程学院 山西 太原 030006
平衡零拍探测器是量子光学和量子信息科学实验中的关键器件之一。本文针对典型的基于跨阻运算放大器的平衡零拍探测器, 理论上详细分析了探测器的电子学噪声、散粒噪声和信噪比等输出特性; 从理论分析、软件仿真和实验研究三方面分别获得了平衡零拍探测器的电子学噪声和散粒噪声功率谱, 谱线线型互相吻合; 实验研制的平衡零拍探测器, 在分析频率2 MHz处的信噪比达到了22 dB, 相应于电子学噪声引入的测量损耗约为0.6%, 满足测量压缩态光场等量子光学实验的需求。
平衡零拍探测器 电子学噪声 散粒噪声 信噪比 balanced homodyne detection electronic noise shot noise signal to noise ratio
华东师范大学 物理材料与科学学院,上海 200241
本论文提出并实验演示了一种系统由经典态进入到量子态演化过程的测量方法，对铷原子(87Rb)蒸汽中，基于光偏振自旋转效应产生的脉冲真空压缩光的建立过程进行了研究，描述了脉冲光场从经典热态到真空压缩态的噪声涨落变化。脉冲真空压缩光的压缩度为-11 dB。具体实验上，先采用平衡零拍探测方法测量了脉冲真空压缩光的正交分量，然后通过对正交分量做相位平均统计处理，得到了信号光场平均光子数随时间的变化分布，观测到75 μs的压缩态建立时间。本文的实验方法为将来基于原子吸收线的短脉冲压缩光的产生打下实验基础，并为经典态和量子态的转换过程的研究提供一种可行的实验测量方案。
脉冲真空压缩光 光偏振自旋转效应 相位平均统计法 平均光子数 噪音演化 pulsed vacuum squeezed light polarized self-rotation phase-averaged balanced Homodyne detection averaged photon number noise variation
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
基于飞秒脉冲的同步泵浦参量过程产生的多模时域飞秒压缩光场,由于其独特的优势,特别是可以享有单模光纤网络兼容,是实现可扩展量子计算及大容量量子通讯的良好光源。由于无法实现多模时域飞秒压缩光场的空间分离,目前对于多模时域飞秒压缩光场的测量,采用最为有效的平衡零拍探测。因此如何构造与时域飞秒压缩光场时域函数分布相同的本地光,是其中的关键内容,并直接影响测量效果。本文主要理论研究了本地脉冲光的时域整形方案,分析了系统参数对整形后的多模本地光的保真度以及系统调制效率的影响,并结合实验参数提出可能的解决办法。
飞秒脉冲整形 时域多模压缩光 平衡零拍 Femtosecond pulse shaping Multimode temporal squeezed light field Balanced homodyne detection
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
对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一, 近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源, 将输出的锁定于铯原子D1线的894.6 nm激光通过外腔倍频产生447.3 nm蓝光, 再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器, 获得铯原子D1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39 mW, 在注入抽运光功率为30 mW时, 利用平衡零拍探测装置测得2.8 dB正交压缩度。考虑到探测效率, 光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4 dB。
非线性光学 光学参量振荡器 正交压缩真空态 平衡零拍探测 铯原子D1线
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
在实际测量过程中由于各种条件的限制，如非理想的5050分束器、本底光与信号光的干涉效率和探测器有限的共模抑制比，都将造成实际测量的结果不能如实反映压缩态的水平。基于平衡零拍探测(BHD)的理论背景，结合干涉效率对压缩度的影响，定量分析了非理想平衡零拍探测系统对测量压缩度的影响，构建了压缩度测量偏差、实际压缩度、5050分束器的分束比、本底光与信号光的干涉效率和平衡零拍探测器的共模抑制比(CMRR)的关系。该分析结果对于量化压缩度的测量误差、估算压缩光产生系统的实际压缩度有重要意义。
量子光学 平衡零拍探测 干涉效率 共模抑制比 光学学报
2016, 36(10): 1027001
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
利用平衡零拍探测测量电磁诱导透明(EIT)介质中探测场的正交振幅和正交相位噪声谱。在平衡零拍探测系统中通过调节压电陶瓷来改变本振光的光程从而改变本振光与探测光的相对相位，进而测量不同相位对应的探测光的噪声分量。实验中电磁诱导透明介质中探测光与耦合光耦合导致探测光噪声的增大，发现在耦合光不同失谐下对探测光不同正交分量引入的额外噪声是不同的，同时得到了探测光噪声与耦合光功率及分析频率的关系。
非线性光学 电磁诱导透明 平衡零拍探测 正交振幅噪声 正交相位噪声
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
平衡零拍探测技术是连续变量量子信息科学研究中测量量子态量子噪声的最佳方法之一。在平衡零拍探测系统中，需要一对性能和结构尽量相同的光电探测器，以便很好地减去经典噪声，有效探测散粒噪声基准及光场噪声。根据基尔霍夫电流定律及光电二极管串联的办法，设计并制作出一种性能优良的低噪声平衡零拍探测器。该探测器从光电二极管串联节点处取出光电流相减信号，然后对信号进行放大，在对两探测器全同性要求降低的同时提高了平衡零拍探测的性能。实验结果表明，该探测器在2 MHz处共模抑制比达39 dB，能很好地满足量子信息对低噪声、线性增益及高共模抑制比的要求。
量子光学 平衡零拍探测 光电探测 共模抑制比
