1 湖南第一师范学院物理与化学学院，湖南 长沙 410205
2 湖南理工学院信息科学与工程学院， 湖南 岳阳 414006
提出和实验论证了基于量子弱测量系统的高分辨氨基酸种类识别方案，并探究了分辨率的提升规律。该量子弱测量系统利用氨基酸溶液的旋光角充当系统的后选择角，将放大后的光自旋霍尔效应位移作为探针识别氨基酸的种类，通过改变入射角可以提升该系统对旋光角的分辨率。通过合理设计BK7-介质结构界面，使其分辨率比单纯BK7玻璃界面有两个数量级的提升，可达 （）/。这些研究将为氨基酸种类的高精度识别提供理论基础，并拓展量子弱测量的应用范围。
量子光学 量子弱测量 氨基酸种类 光自旋霍尔效应位移 光学学报
2022, 42(22): 2227001
山西大学, 理论物理研究所 山西 太原 030006
本文基于与各自的级联环境相互耦合的两量子比特系统, 详细讨论了弱、强耦合体系下量子比特与腔之间的耦合强度κ以及腔频率与库的中心频率之间的失谐量δ对Bell非定域性和量子相干动力学的影响。结果表明: 在两种耦合体系中, 均存在Bell非定域性猝死现象, 且Bell非定域性的存活时间或量值随κ和δ的改变而改变。相比之下, 量子相干展现了塌缩、复苏等行为, 复苏的峰值随κ和δ的增大而增大。此外, 我们进一步考察了量子弱测量和测量反转操作对Bell非定域性和量子相干的有效调制作用, 获得一些有意义的结果。
Bell非定域性 量子相干 弱测量 级联环境 Bell non-locality quantum coherence weak measurement hierarchical environment
Author Affiliations
Abstract
Laboratory for Spin Photonics, School of Physics and Electronics, Hunan University, Changsha 410082, China
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The photonic spin Hall effect (SHE) refers to the transverse spin separation of photons with opposite spin angular momentum, after the beam passes through an optical interface or inhomogeneous medium, manifested as the spin-dependent splitting. It can be considered as an analogue of the SHE in electronic systems: the light’s right-circularly polarized and left-circularly polarized components play the role of the spin-up and spin-down electrons, and the refractive index gradient replaces the electronic potential gradient. Remarkably, the photonic SHE originates from the spin-orbit interaction of the photons and is mainly attributed to two different geometric phases, i.e., the spin-redirection Rytov-Vlasimirskii-Berry in momentum space and the Pancharatnam-Berry phase in Stokes parameter space. The unique properties of the photonic SHE and its powerful ability to manipulate the photon spin, gradually, make it a useful tool in precision metrology, analog optical computing and quantum imaging, etc. In this review, we provide a brief framework to describe the fundamentals and advances of photonic SHE, and give an overview on the emergent applications of this phenomenon in different scenes.
photonic spin Hall effect spin-orbit interaction of light geometric phase weak measurement analog optical computing Opto-Electronic Science
2022, 1(7): 220007
湖南大学物理与微电子科学学院自旋光子学实验室, 湖南 长沙 410082
光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用, 它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响, 但在亚波长尺度下, 自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先, 介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念: 光子角动量和几何相位理论。其次, 分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后, 重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后, 对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。
光电子学 自旋-轨道相互作用 几何相位 光子自旋霍尔效应 量子弱测量 光学微分运算 optoelectronics spin-orbit interaction geometric phase photonic spin Hall effect quantum weak measurement optical differential operation
Liang Xu 1,2,3,4,5†Huichao Xu 1,2,3,4,6Jie Xie 1,2,3,4Hui Li 1,2,3,4[ ... ]Lijian Zhang 1,2,3,4,*
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing, China
2 Nanjing University, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing, China
3 Nanjing University, National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing, China
4 Nanjing University, Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, Nanjing, China
5 Research Center for Quantum Sensing, Zhejiang Laboratory, Hangzhou, China
6 Purple Mountain Laboratories, Nanjing, China
The quantum properties of quantum measurements are indispensable resources in quantum information processing and have drawn extensive research interest. The conventional approach to revealing quantum properties relies on the reconstruction of entire measurement operators by quantum detector tomography. However, many specific properties can be determined by a part of the matrix components of the measurement operators, which makes it possible to simplify the characterization process. We propose a general framework to directly obtain individual matrix elements of the measurement operators by sequentially measuring two noncompatible observables. This method allows us to circumvent the complete tomography of the quantum measurement and extract the required information. We experimentally implement this scheme to monitor the coherent evolution of a general quantum measurement by determining the off-diagonal matrix elements. The investigation of the measurement precision indicates the good feasibility of our protocol for arbitrary quantum measurements. Our results pave the way for revealing the quantum properties of quantum measurements by selectively determining the matrix components of the measurement operators.
direct tomography quantum measurement weak measurement sequential measurement coherence Advanced Photonics
2021, 3(6): 066001
1 华南师范大学光电学院, 微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
2 华南师范大学, 广东省量子调控工程与材料重点实验室, 广东 广州 510006
弱测量过程包括三个主要步骤: 初态制备、弱耦合、后选择。这个过程中诸多因素会对耦合参量的评估精度产生影响, 本文工作主要探讨当光束的空间自由度与偏振自由度通过双折射晶体耦合时, 探针初态的参数(坐标分布的平均值和方差)、耦合常数以及后选择角对耦合参量的评估精度的影响。我们具体通过讨论相关参数对待评估耦合参量Fisher信息的影响, 借以分析对耦合参数评估精度的影响。结果表明, 在本方案中, (1)增加探针初态坐标分布的方差和坐标的平均值(中心位置)都可以提高后选择概率, 并增加总Fisher信息; (2)参量越小, 评估精度越高, 但相应的后选择概率越低; (3)在满足弱测量近似条件下, 系统的后选择态与初态越接近正交, 获得的评估精度越高。
弱测量 参量评估 Fisher信息 weak measurement parameter estimation Fisher information
固体微结构国家实验室, 智能光传感与调控技术教育部重点实验室, 人工微结构科学与技术协同创新中心, 南京大学现代工程与应用科学学院, 江苏 南京 210093
为了描述对前、后选择的量子系统进行弱测量的测量结果,Aharonov、Albert和Vaidman在1988年提出了弱值的概念。可观测量的弱值在取值上可以突破可观测量的最大本征值,甚至可以取复数,为弱值在量子力学基本原理和发展新型量子技术的研究中提供了丰富的物理内涵。本文主要回顾了弱值在量子精密测量和量子层析中应用的进展情况。弱值在量子精密测量中的应用被称为弱值放大,弱值放大可以实现对微小物理量的放大测量,因而在精密测量领域获得了广泛关注。由于信号的放大伴随着后选择成功概率的降低,因此弱值放大技术的测量精度是否优于传统的测量方式一直是一个有争论的话题。本文先回顾了弱值放大和传统测量方式在测量精度方面的比较,阐述了弱值放大方案在特定条件下的精度优势;之后回顾了经过改进的弱值放大技术的最新进展。弱值在量子层析中的应用被称为直接量子层析,“直接”指的是该层析方案能够通过测量复数的弱值实现对量子态波函数概率幅的直接测量。本文还回顾了直接量子层析技术被推广并被应用到各种形式的量子态、量子过程、量子测量表征的理论和实验方案,分析了直接量子层析技术的准确度、精度,并回顾了提高直接层析技术效率的最新进展。最后,本文总结了基于弱值的这两项技术的发展状况,并提出了未来可能的发展方向。
激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011004
1 新疆师范大学 物理与电子工程学院,新疆 乌鲁木齐 830054
2 陕西师范大学 物理学与信息技术学院,西安 陕西 710062
量子弱测量理论现在已成为了大家都认可的一种新的测量理论体系并广泛地应用在和测量相关的各个领域当中。本论文主要详细地分析后选择量子测量的产物——量子模块值与弱值的关系,并介绍它们在解决量子光学基础问题中的应用。
量子模块值 量子弱测量 弱值 后选择 qautum modular value quantum weak measurement weak value postselection
山西大学 理论物理研究所,山西 太原 030006
本文基于与各自的两层环境相互作用的两量子比特系统,详细考察了强、弱耦合体系下第二层环境的腔个数N和两层环境间的耦合系数κ对量子导引动力学的影响,研究发现:随着N和κ的增加,量子导引不仅可以出现振荡现象,而且存活时间和量值都能得到一定程度地提高。为了抑制环境退相干,我们还讨论了量子弱测量和测量反转操作对量子导引动力学的调制作用,结果表明弱测量方法可以有效地保护量子导引。
量子导引 弱测量 动力学 quantum steering weak measurement dynamics
