【儀表網 儀表研發】近日，西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室非線性光學及應用課題組在亞散粒噪聲精密測量領域研究取得重要進展，相關成果以“Tolerance enhancement of inefficient detection and frequency detuning by non-perfect phase-sensitive amplification in broadband squeezing-based precision measurement”為題發表在國際著名光學期刊Journal of the Optical Society of America B，并被選為Editor`s Pick(編輯精選)文章。(Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.)
標準量子極限是經典測量技術所能達到的最小測量極限。隨著引力波等微弱信號探測需求的增長，如何突破標準量子極限實現更高精度測量是精密測量領域的重要科學問題。作為最實用和最有效的量子計量資源之一，壓縮態能使測量精度突破散粒噪聲極限并逼近海森堡極限，可以為精密測量領域帶來革命性突破。
然而壓縮態的低魯棒性限制了它在復雜環境中的應用，且探測器的非理想探測效率也會導致其量子優勢無法充分體現。對此，研究人員提出使用光參量放大器(OPA)對微弱信號進行預放大來克服由于低探測效率引起的檢測損失。由于存在量子漲落現象，經典放大器的放大過程會伴隨著散粒噪聲引入，導致噪聲指數NF>3dB。因此，突破這一固有限制是微弱信號精密測量亟需解決的重點與難點。
基于以上關鍵問題，該課題組開展了基于二階非線性的相位敏感光參量放大器(PSA)相關研究。PSA以其在放大過程中不引入新的噪聲的獨有特性，可實現對微弱信號無噪放大，有望助力光學精密測量技術實現新的突破。
圖1. 基于壓縮態的亞散粒噪聲量子測量方案示意圖
課題組提出了應用PSA來提高基于寬帶壓縮光的微弱信號探測能力的方法。研究發現，使用寬帶壓縮光作為探測光可提高微弱信號的探測能力，在探測器的探測效率較低時(η<0.5)，使用PSA預放大可顯著提高因為低探測效率引起的量子優勢衰減，并有效改善壓縮態的低魯棒性。研究進一步發現，盡管寬光譜引起的頻率失諧會導致非理想相敏放大引入少量噪聲，但高增益可有效補償這一退化。相關研究成果為引力波探測、量子增強激光雷達、量子成像、量子通信等領域的發展提供了關鍵理論支撐。
圖2. 探測器檢測效率，頻率失諧量，壓縮度和相位敏感增益等參數對系統量子優勢的影響
西安光機所非線性光學及應用課題組近年來對微弱信號探測及弱光成像技術進行了深入的研究并取得一定的突破。應用非線性光學效應可以有效解決弱信號探測及成像領域因背景噪聲強、探測器低靈敏度等因素而導致難以有效探測識別微弱信號的技術瓶頸問題，該課題組已形成光學隨機共振弱光圖像重構技術、中紅外上轉換高靈敏探測技術以及相位敏感弱信號放大等關鍵技術的研究能力，相關研究成果近期先后發表在Optics Express、IEEE Photonics Journal、Nanomaterials、Journal of the Optical Society of America B等國際知名期刊上，得到了國內外同行專家的認可和積極的評價。(瞬態室 供稿)
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