CN107063479B - 一种基于量子弱测量的极小相位测量系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子弱测量的极小相位测量系统以及方法，该极小相位测量系统包括：信号发生装置，所述信号发生装置用于生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；极小相位信号映射装置，所述极小相位信号映射装置用于基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；信号处理装置，所述信号处理装置用于对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；提取装置，所述提取装置用于对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；计算装置，基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。本发明技术方案可以应用于小于0.1弧度的极小相位信号的测量。
Description
技术领域
本发明涉及高精密测量装置技术领域，更具体的说，涉及一种基于量子弱测量的极小相位测量系统以及方法。
背景技术
高精密测量是现代科学技术发展的重要基石，在科学研究，工业生产，国防军事领域发挥着极其重要的作用。目前利用光的干涉可以实现很高的极小相位测量精度，因而一般可将待测物理量转化为相位的测量。
为实现极小极小相位信号的测量，一般有两种方案：一是使用高分辨率的干涉仪；二是对极小极小相位信号进行放大，例如在迈克尔逊干涉仪两臂采用法布里-珀罗腔。当待测极小相位信号极其微弱时，放大是必要的，因为受限于技术程度，干涉仪的精度是有限的，低于干涉仪分辨极限的极小相位信号无法测量出来。
1988年，Yakir Aharonov,David Z.Albert和Lev Vaidman首次提出了量子弱测量的概念并且展示了利用其进行小信号放大的可能性，即现在学术界所称的弱值放大测量(Phys.Rev.Lett.60,1351(1988))。
尽管弱值放大测量已经能够实现对很多物理量的测量，其对于一般极小相位信号依然束手无策。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于量子弱测量的极小相位测量系统以及方法，可以实现极小相位信号的测量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于量子弱测量的极小相位测量系统，所述极小相位测量系统包括：
信号发生装置，所述信号发生装置用于生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；
极小相位信号映射装置，所述极小相位信号映射装置用于基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；
信号处理装置，所述信号处理装置用于对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；
提取装置，所述提取装置用于对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；
计算装置，基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述二能级量子客体为光子；所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述信号发生装置包括：激光源装置以及第一分束器；
所述激光源装置用于产生稳定的线偏振光，通过所述第一分束器进行光子初始态的制备；所述第一分束器用于将所述线偏振光分为第一光路以及第二光路。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述极小相位信号映射装置为偏振型迈克尔逊干涉仪；所述迈克尔逊干涉仪具有入光口以及出光口；
其中，所述第一光路中的光信息入射所述迈克尔逊干涉仪的入光口，经过其出光口出射；所述迈克尔逊干涉仪用于收集所述第一光路中光信息的极小相位信号。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述信号处理装置包括：第二分束器；
其中，所述第二分束器用于将所述第二光路中的光信息以及所述迈克尔逊干涉仪出射的光信息进行合并，以对光子路径态进行后选择，实现对极小相位信号的放大。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述提取装置为偏振分析仪；所述偏振分析仪具有一个入光口以及两个出光口；
所述第二分束器出射的合并后的光信息入射所述偏振分析仪的入光口，经过所述偏振分析仪分为两路，分别由所述偏振分析仪的两个出光口出射。
优选的，在上述极小相位测量系统中，所述计算装置为计算机，所述计算机通过第一探测器以及所述第二探测器分别获取所述偏振分析仪的两个出光口出射的光信息，以获取放大后的所述极小相位信号，进而基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
本发明还提供了一种基于量子弱测量的极小相位测量方法，用于上述任一项所述的极小相位测量系统，所述极小相位测量方法包括：
生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；
基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；
对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；
对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；
基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
优选的，在上述极小相位测量方法中，所述二能级量子客体为具有内部自由度的量子客体。
优选的，在上述极小相位测量方法中，所述极小相位测量方法用于可转化为极小相位测量的物理量的测量。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的基于量子弱测量的极小相位测量系统以及方法中，通过对系统态进行合适的后选择，以实现对极小相位信号的放大，当获取放大后的极小相位信号后，可以根据放大公式反推出极小相位信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于量子弱测量的极小相位测量系统；
图2为图1所示极小相位测量系统中信号发生装置的结构示意图；
图3为图1所示极小相位测量系统中极小相位信号映射装置的结构示意图；
图4为图1所示极小相位测量系统中信号处理装置的结构示意图；
图5为图1所示极小相位测量系统中提取装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种极小相位测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-图5，图1为本发明实施例提供的一种基于量子弱测量的极小相位测量系统，图2为图1所示极小相位测量系统中信号发生装置的结构示意图，图3为图1所示极小相位测量系统中极小相位信号映射装置的结构示意图，图4为图1所示极小相位测量系统中信号处理装置的结构示意图，图5为图1所示极小相位测量系统中提取装置的结构示意图。
如图1-图5所示，本发明实施例所述极小相位测量系统包括：信号发生装置11，所述信号发生装置11用于生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；极小相位信号映射装置12，所述极小相位信号映射装置12用于基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；信号处理装置13，所述信号处理装置13用于对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；提取装置14，所述提取装置14用于对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；计算装置15，所述计算装置15用于基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
本发明实施例所述极小相位测量系统中，所述二能级量子客体可以为具有内部自由度的量子客体，包括光子、原子以及中子等量子客体。下面以所述二能级量子客体为光子进行说明。
当所述二能级量子客体为光子时，所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统。
当所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统时，所述信号发生装置11包括：激光源装置111以及第一分束器112；所述激光源装置111用于产生稳定的线偏振光，通过所述第一分束器112进行光子初始态的制备；所述第一分束器112用于将所述线偏振光分为第一光路以及第二光路。
为了降低光学系统的占据空间，缩小所述极小相位测量系统的体积，如图2所示，所述信号发生装置11还包括第一反射镜113。所述第一光路中的光信息经过所述第一分束器112出射后，直接入射所述极小相位信号映射装置12。
当所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统时，所述极小相位信号映射装置12为偏振型迈克尔逊干涉仪；所述迈克尔逊干涉仪具有入光口以及出光口。其中，所述第一光路中的光信息入射所述迈克尔逊干涉仪的入光口，经过其出光口出射；所述迈克尔逊干涉仪用于收集所述第一光路中光信息的极小相位信号。
具体的，所述迈克尔逊干涉仪包括：偏振分束器121、第一四分之一波片122、第二四分之一波片123、第二反射镜125以及第三反射镜124。第一光路中的光信息经过所述迈克尔逊干涉仪的入光口入射所述迈克尔逊干涉仪。第一光路中的光信息入射偏振分束器121后分为二路光信息。
一路光信息经过偏振分束器121反射后，透过第一四分之一波片122，再经过第二反射镜125反射，原路返回所述偏振分束器121。另一路光信息透过偏振分束器121后，透过第二四分之一波片123，再经过第三反射镜124反射，原路返回所述偏振分束器121。
设置所述迈克尔逊干涉仪中两个四分之一波片的偏振角度均为45°，使得一路光信息中两次通过对应四分之一波片的光信息偏振翻转，即使得水平偏转光变为垂直偏振光，垂直偏振光变为水平偏振光，从而避免该两个四分之一波片各自光路中的光信息原路返回，使得该两个四分之一波片各自光路中的光信息均，从所述迈克尔逊干涉仪的出光口一同出射。
当所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统时，所述信号处理装置13包括：第二分束器131。其中，所述第二分束器131用于将所述第二光路中的光信息以及所述迈克尔逊干涉仪出射的光信息进行合并，以对光子路径态进行后选择，实现对极小相位信号的放大。
所述第二光路中的光信息经过所述第一分束器112出射后，经过所述第一反射镜113反射后进入所述第二分束器131的一个入光口。所述迈克尔逊干涉仪出射的光信息直接进入所述第二分束器131的另一个入光口。通过所述第一反射镜113降低光学系统的占据空间，缩小其体积。所述第二分束器131的两个入光口入射的光信息经过所述第二分束器131合并后，通过所述第二分束器131的出光口出射，并入射所述提取装置14。
当所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统时，所述提取装置14为偏振分析仪。所述偏振分析仪具有一个入光口以及两个出光口。所述第二分束器131出射的合并后的光信息入射所述偏振分析仪的入光口，经过所述偏振分析仪分为两路，分别由所述偏振分析仪的两个出光口出射。
具体的，所述提取装置14包括：第三四分之一波片141、二分之一波片142以及偏振分束器143。入射所述提取装置14的合并后的光信息依次经过所述第三四分之一波片141和所述二分之一波片142后，入射所述偏振分束器143，在所述偏振分束器143中分为两路分别出射。
所述计算装置15为计算机，所述计算机15通过第一探测器151以及所述第二探测器152分别获取所述偏振分析仪的两个出光口出射的光信息，以获取放大后的所述极小相位信号，进而基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。图1中未示出所述计算机。
通过上述描述可知，在本发明实施例所述极小相位测量系统中，经过进一步放大极小相位信号从而可以实现对于低于干涉仪器本身分辨率的极小相位信号的测量，测量精度高。所述极小相位测量系统可利用现有干涉仪组合实现，结构简单，可操作性强。此外，由于许多重要的物理量测量可以转化为对小相位信号的测量，所述极小相位测量系统可广泛应用于科学研究，工业生产，国防军事，适用范围广。
基于上述极小相位测量系统，本发明另一实施例还提供了一种基于量子弱测量的极小相位测量方法，所述极小相位测量方法如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种极小相位测量方法的流程示意图，所述极小相位测量方法包括：
步骤S11：生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态。
设定二能级量子客体的初始态|Ψj>SP，有
其中，S为系统态，当量子客体为光子时，系统态为路径态；P为指针态，当量子客体为光子时，指针态为偏振态。
另，a，b，c以及d为满足归一化条件的常数，有：
|a|2+|b|2＝1 (2)
|c|2+|d|2＝1 (3)
其中，|0>以及|1>表示量子客体的两个不同路径态，|↑>以及|↓>表示量子客体的两个不同内部自由度态，有两个不同能级态或自旋态。在量子客体为光子情形下，可以采用激光源装置产生稳定的处于线偏振态的光信息，并使用分束器等光学元件实现光子的初始态制备。
步骤S12：基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上。
为了实现极小相位信号的测量，需要将相位信号映射到量子客体的指针态。这可以通过幺正操作
作用在量子客体的初始态上来实现弱耦合，幺正操作/>
表示如下：
其中，θ表示待测的极小相位信号，i为虚数单位；I为单位矩阵。
量子客体的初始态在上述幺正操作后变为|Ψf>SP，有：
在量子客体为光子的情形下，幺正操作
可以将通过分束器的其中一路光信息通过一个偏振型迈克尔逊干涉仪或者通过一个具有二向性的物体实现。
步骤S13：对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大。
为了实现极小相位信号的测量，需要对量子客体的系统态进行后选择。假定后选择态|Ψ>S表示如下：
|Ψ>S＝m|0>+n|1〉 (6)
则后选择后量子客体的未归一化指针态|φ>P变为:
|φ>P＝S<ψ||Ψf>SP＝c·(am+cn)|↑>+d·(am+cneiθ|↓>) (7)
其中，m和n为已知常数，由于θ＜＜1，在一阶近似下，有：
am+cneie|↓>＝|am+cn|eiγ (8)
其中，γ为放大后的所述极小相位信号，且有如下放大公式：
tanγ＝sinθ/(cosθ+am/cn) (9)
所以量子客体的指针态|φ〉P变为：
|φ>P＝c·(am+cn|↑>+d·|am+cn|eiγ|↓>) (10)
经过预设的后选择态使得：
am+cn→0 (11)
即可以实现得到放大后的相位γ。
在量子客体为光子的情形下，后选择可通过将分开的两路光信息在另一个分束器处干涉并只留取暗端口出来的光子实现。
步骤S14：对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号。
对量子客体的指针态在合适的测量基下测量提取放大后的相位信号γ。在量子客体为光子的情形下，可令后选择后的光子通过一个由二分之一波片，四分之一波片和偏振分束器构成的偏振分析仪来提取放大后的相位γ。
步骤S15：基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
计算机可以通过探测器采集光信息，获取放大后的相位γ，并根据上述放大公式(9)反推出极小相位信号θ。
由上述描述可知，所述极小相位测量方法利用现有成熟的干涉技术手段即可实现基于量子弱测量放大的极小相位测量。相较于传统的干涉法测相位，所述极小相位测量方法能够实现对待测极小相位的放大从而可以测量低于干涉仪分辨率的相位信号，具有测量精度高，结构简单，易于实现，并能广泛应用于需要高精度测量的科研，工业生产和国防军事等领域。
本发明实施例所述极小相位测量方法中，所述二能级量子客体为具有内部自由度的量子客体，包括但不局限于光子、原子以及中子等量子客体。所述极小相位测量方法用于可转化为极小相位测量的物理量的测量，所述物理量包括但不局限于位移、速度、温度、原子极化以及二向色性等。极小相位信号的收集可以是偏振相关的也可以是偏振无关的，只要将极小相位信号反映在线偏振态的相对相位中即可。
下面在量子客体为光子的情形下对本发明实施例所述极小相位测量方法进行进一步的说明。
此时，所述极小相位测量方法具体用于如图1-图5所示的光学极小相位测量系统，激光装置111产生稳定处于线偏振态表示如下：
其中，|H〉和|V〉分别表示光子的两个不同内部自由度态，|H〉＝|↑>表示水平偏振态，|V>＝|↓>表示竖直偏振态，在
时，基于公式(1)和(12)，有：
此时，|0>以及|1>表示光信息经过第一分束器112后沿着两个不同方向的路径态。
如图1所示，通过第一分束器112后的第一光路中的光信息经过一个偏振型迈克尔逊干涉仪实现对极小相位信号的收集；偏振型迈克尔逊干涉仪由一个偏振分束器121，两个四分之一波片(第一四分之一波片122和第二四分之一波片123)和两个全反镜(第二反射镜125以及第三反射镜124)组成，其中四分之一波片的偏振角度均为45°，从而使得两次通过其的光的偏振反转，即水平偏振光变为垂直偏振光，垂直偏振光变为水平偏振光从而使得光不会沿着原路返回而是从偏振分束器的另一端口出射。
这样，根据偏振型迈克尔逊干涉仪本身特性，从偏振型迈克尔逊干涉仪出射的光的偏振态变为:
其中，θ即为待测的极小相位。
同上述，为实现极小相位信号的放大，需要对光子路径态进行后选择，这可以通过第二分束器131实现。
进入第二分束器131前光子的量子态，基于公式(5)，为：
假定第二分束器131的反射和透射系数分别为c和d，则从第二分束器131的出光口(暗端口)出来的光的路径态，基于公式(6)，为：
|Ψ>＝c|0>+d|1〉 (15)
则从第二分束器131的出光口出射后光子的偏振态在一阶近似下，基于公式(7)，(8)，(9)和公式(10)，变为：
其中，基于公式(9)，有如下放大公式：
tanγ＝sinθ/(cosθ+ac/bd) (17)
通过合适的选取后选择态，即可实现γ＞θ从而完成极小相位的放大。
进一步的，经过第二分束器131后选择后的光子依次进入一个由四分之一波片141、二分之一波片142和偏振分束器143组成的偏振分析仪来实现对放大后的相位γ的测量。
可以考虑选择预设定已知测量基{|R>,|L>}，设定：
因此偏振分束器143两出光口的光强之差为：
△I＝I×(|<R|φ>|2-|<L|φ〉|2)sinγ＝I×sinγ (20)
其中，I为经过第二分束器131后选择后的光强，光强之差ΔI给出放大后的相位γ，再据此根据放大公式(17)反推出小于0.1弧度的极小相位θ。
本发明实施例所述极小相位测量方法中，基于量子弱测量后选择过程放大极小相位进而实现对其的测量。本发明实施例通过进一步放大小相位信号从而可以实现对于低于干涉仪器本身分辨率的小相位信号的测量，测量精度高；基于量子弱测量放大的极小相位测量可利用现有干涉仪组合实现，结构简单，可操作性强；此外，由于许多重要的物理量测量可以转化为对小相位信号的测量，本发明实施例可广泛应用于科学研究，工业生产，国防军事，适用范围广。如本发明实施例所述技术方案可以用于引力波探测、极弱磁场探测、光学成像、蛋白结构分析以及产品质量检测等领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于量子弱测量的极小相位测量系统，其特征在于，所述极小相位测量系统包括：
信号发生装置，所述信号发生装置用于生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；
极小相位信号映射装置，所述极小相位信号映射装置用于基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；
信号处理装置，所述信号处理装置用于对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；
提取装置，所述提取装置用于对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；
计算装置，基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
2.根据权利要求1所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述二能级量子客体为光子；所述极小相位测量系统为光学极小相位测量系统。
3.根据权利要求2所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述信号发生装置包括：激光源装置以及第一分束器；
所述激光源装置用于产生稳定的线偏振光，通过所述第一分束器进行光子初始态的制备；所述第一分束器用于将所述线偏振光分为第一光路以及第二光路。
4.根据权利要求3所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述极小相位信号映射装置为偏振型迈克尔逊干涉仪；所述迈克尔逊干涉仪具有入光口以及出光口；
其中，所述第一光路中的光信息入射所述迈克尔逊干涉仪的入光口，经过其出光口出射；所述迈克尔逊干涉仪用于收集所述第一光路中光信息的极小相位信号。
5.根据权利要求4所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：第二分束器；
其中，所述第二分束器用于将所述第二光路中的光信息以及所述迈克尔逊干涉仪出射的光信息进行合并，以对光子路径态进行后选择，实现对极小相位信号的放大。
6.根据权利要求5所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述提取装置为偏振分析仪；所述偏振分析仪具有一个入光口以及两个出光口；
所述第二分束器出射的合并后的光信息入射所述偏振分析仪的入光口，经过所述偏振分析仪分为两路，分别由所述偏振分析仪的两个出光口出射。
7.根据权利要求6所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述计算装置为计算机，所述计算机通过第一探测器以及第二探测器分别获取所述偏振分析仪的两个出光口出射的光信息，以获取放大后的所述极小相位信号，进而基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
8.一种基于量子弱测量的极小相位测量方法，用于如权利要求1-7任一项所述的极小相位测量系统，其特征在于，所述极小相位测量方法包括：
生成二能级量子客体的初始态；所述初始态包括指针态以及系统态；
基于所述初始态，将极小相位信号映射到量子客体的指针态上；
对量子客体的系统态进行后选择，实现对极小相位信号的放大；
对量子客体的指针态在预设的测量基下提取放大后的所述极小相位信号；
基于放大后的所述极小相位信号计算所述极小相位信号。
9.根据权利要求8所述的极小相位测量方法，其特征在于，所述二能级量子客体为具有内部自由度的量子客体。
10.根据权利要求8所述的极小相位测量方法，其特征在于，所述极小相位测量方法用于可转化为极小相位测量的物理量的测量。
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