CN217403623U - 基于受激参量下转换的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法。该装置包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非线性晶体，用于对来自激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换和第二次受激参量下转换；凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体；平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回凹面反射镜；楔形相位调节器，用于调节来自凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及单光子探测器，用于对来自非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息处理技术领域，具体涉及量子精密测量和弱光探测领域，尤其涉及一种基于受激参量下转换的测量装置。
背景技术
量子精密测量的目的在于利用量子系统提高对测量物理参数的测量精度。对测量物理参数的测量误差，包括技术误差和原理性误差。测量物理参数的技术误差是由测量过程中技术手段不完美引入的误差，比如环境温度变化带来的噪声。原理性误差则是由于基本物理原理的限制产生的。最典型的例子是用Mach–Zehnder(MZ)干涉仪测量干涉仪两臂之间的相位，在采用经典的激光输入时，由于量子不确定性原理，输出端口的光强必然存在泊松涨落，该涨落导致相位测量精度存在一个上限。具体来说，假设输入激光的平均光子数为n，则相位误差满足
这是在资源确定的情况下，通过经典资源(激光)能够得到的最小误差，称为散粒噪声极限。
如果引入量子纠缠等量子资源，则可以突破散粒噪声极限。理论表明，对量子系统，最佳的相位估计满足
称为海森堡极限。
要达到海森堡极限的一种典型的方式是基于NOON态，一种光子数最大纠缠态。尽管NOON态理论上可以达到海森堡极限，但是基于NOON态的相位测量有很大的局限性。一方面大光子数NOON态难以确定性制备；另一方面NOON态对光子损耗指数敏感，到目前为止仅在2光子NOON态上实现了无条件超越散粒噪声极限。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型提供了一种基于受激参量下转换的测量装置，用于实现达到海森堡极限的相位测量。
根据本实用新型的实施例，提供了一种基于受激参量下转换的测量装置，其特征在于，包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非线性晶体，用于对来自激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换，得到第一参量光和第一泵浦光，以及对来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光进行第二次受激参量下转换，得到第二参量光和第二泵浦光；凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体；平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回凹面反射镜；楔形相位调节器，用于调节来自凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及单光子探测器，用于对来自非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。
根据本实用新型的实施例，其特征在于：凹面反射镜和平面镜构成光学4f系统，凹面反射镜和平面反射镜之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距；凹面反射镜和非线性晶体之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距。
根据本实用新型的实施例，其特征在于：激光光源被配置为激光光源的光源口朝向非线性晶体，使得来自激光光源的初始泵浦光垂直入射非线性晶体。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：双色镜，用于分离来自非线性晶体第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：分束器，用于分离来自双色镜的不同偏振模式的第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：第一聚焦透镜，第一聚焦透镜设置于激光光源和非线性晶体之间，用于聚焦来自激光光源的初始泵浦光；以及第二聚焦透镜，设置于分束器和双色镜之间，用于准直来自双色镜的第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：λ/4波片，λ/4波片设置于凹面反射镜和平面镜之间，用于保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，楔形相位调节器设置于凹面反射镜和平面镜之间，楔形相位调节器的横截面为楔形，厚度变化为200微米。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，非线性晶体朝向激光光源和凹面反射镜的两侧设置有增厚膜。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，激光器包括飞秒脉冲激光器，激光器用于产生脉冲泵浦光。
本实用新型提供的基于受激参量下转换的测量装置原则上可以达到海森堡极限的相位测量，同时对外部损耗，即测量装置之外的损耗，如探测器、线路损耗等具有很高的容忍性。此外，本发明结构简单，因此易于集成和扩展。
附图说明
图1示意性示出了根据本实用新型的一个实施例的基于受激参量下转换的测量装置的示意图；
图2示意性示出了根据本实用新型的另一个实施例的基于受激参量下转换的测量装置的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
根据本实用新型的实施例，提供了一种基于受激参量下转换的测量装置，其特征在于，包括：激光光源，用于提供初始泵浦光；非线性晶体，用于对来自激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换，得到第一参量光和第一泵浦光，以及对来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光进行第二次受激参量下转换，得到第二参量光和第二泵浦光；凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体；平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回凹面反射镜；楔形相位调节器，用于调节来自凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及单光子探测器，用于对来自非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。
根据本实用新型的实施例，其特征在于：凹面反射镜和平面镜构成光学4f系统，凹面反射镜和平面反射镜之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距；凹面反射镜和非线性晶体之间的距离为凹面反射镜的一倍焦距。
根据本实用新型的实施例，其特征在于：激光光源被配置为激光光源的光源口朝向非线性晶体，使得来自激光光源的初始泵浦光垂直入射非线性晶体。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：双色镜，用于分离来自非线性晶体第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：分束器，用于分离来自双色镜的不同偏振模式的第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：第一聚焦透镜，第一聚焦透镜设置于激光光源和非线性晶体之间，用于聚焦来自激光光源的初始泵浦光；以及第二聚焦透镜，设置于分束器和双色镜之间，用于准直来自双色镜的第二参量光。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，还包括：λ/4波片，λ/4波片设置于凹面反射镜和平面镜之间，用于保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，楔形相位调节器设置于凹面反射镜和平面镜之间，楔形相位调节器的横截面为楔形，厚度变化为200微米。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，非线性晶体朝向激光光源和凹面反射镜的两侧设置有增厚膜。
根据本实用新型的实施例，其特征在于，激光器包括飞秒脉冲激光器，激光器用于产生脉冲泵浦光。
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的基于受激参量下转换的测量装置的示意图。
如图1所示，测量装置包括激光光源1、非线性晶体4、凹面反射镜5、楔形相位调节器6、平面镜8和单光子探测器11。
根据本实用新型的实施例，激光光源1可以采用飞秒脉冲激光器，将激光光源1产生的飞秒脉冲激光作为初始泵浦光，初始泵浦光的偏振方向为水平偏振。激光光源1产生的脉冲激光的波长范围为760-790nm，线宽2nm-10nm。
非线性晶体4可以对激光光源1提供的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换，产生第一参量光和第一泵浦光。初始泵浦光经过非线性晶体4的受激参量下转换过程得到第一参量光和第一泵浦光，其中，初始泵浦光大部分都转换为第一泵浦光，第一泵浦光和初始泵浦光的能量差别很小。非线性晶体4还可以对来自凹面反射镜5的第一参量光和第一泵浦光进行第二次受激参量下转换，将第一泵浦光和第一参量光转换为第二参量光和第二泵浦光。非线性晶体4的第二次受激参量下转换过程可以增强第一参量光，得到第二参量光。
根据本实用新型的实施例，非线性晶体4外部设置有温控装置，以保持非线性晶体4的温度稳定，减小因温度改变造成的参量光波长移动。非线性晶体朝向激光光源1和凹面反射镜5的两端面设置有针对泵浦光和参量光波段的增透膜。
凹面反射镜5位于非线性晶体4的后方，可以将来自非线性晶体4的第一泵浦光和第一参量光反射到平面镜8。平面镜8接收到来自凹面反射镜5的第一参量光和第一泵浦光后，将第一参量光和第一泵浦光沿原光路反射回凹面反射镜5，随后凹面反射镜5将第一参量光和第一泵浦光反射回非线性晶体4。通过凹面反射镜和平面镜可以精确调节第一泵浦光和第一参量光从非线性晶体经过凹面反射镜和平面镜再次返回非线性晶体4的过程，保证本实用新型提出的测量装置的精确性。
楔形相位调节器6可以调节来自凹面反射镜5的第一泵浦光与第一参量光之间的相位。通过上下移动楔形相位调节器6，第一泵浦光与第一参量光经过楔形相位调节器6的光程会逐渐发生变化，该相对相位为测量相位。第一泵浦光和第一参量光从平面镜8反射回凹面反射镜5，还经过楔形相位调节器6。
根据本实用新型的实施例，楔形相位调节器6设置于凹面反射镜5和平面镜8之间。楔形相位调节器由横截面为楔形的K9玻璃片构成，楔形相位调节器的厚度从上到下变化为200微米。
单光子探测器11可以对来自非线性晶体4的第二参量光进行单光子阈值探测。
本实用新型提供的基于受激参量下转换的测量装置通过楔形相位调节器调节待测相位，通过单光子探测器进行单光子阈值探测，经过该测量装置测量的相位原则上可以达到海森堡极限。同时，该测量装置对于测量装置之外的损耗，如探测器、线路损耗有很高的容忍性。此外，本实用新型提供的基于受激参量下转换的测量装置结构简单，易于集成和扩展。
根据本实用新型的实施例，如图1所示，凹面反射镜5和平面镜8构成光学4f系统，凹面反射镜5和平面镜8之间的距离等于凹面反射镜5的一倍焦距，并且凹面反射镜8和非线性晶体4之间的距离也等于凹面反射镜5的一倍焦距。通过涉及凹面反射镜、平面镜和非线性晶体的距离，保证非线性晶体产生的第一参量光和第一泵浦光经凹面反射镜和平面镜反射后均能够再次聚焦在非线性晶体的同一位置，保证参量光的空间模式匹配良好。
根据本实用新型的实施例，如图1所示，激光光源1的光源口朝向非线性晶体，以使激光光源1产生的初始泵浦光垂直入射到非线性晶体中。
根据本实用新型的实施例，非线性晶体包括周期性极化磷酸氧钛钾晶体(periodically poled KTP，PPKTP)。
根据本实用新型的实施例，非线性晶体满足在所选泵浦光波长下的共线Ⅱ型相位匹配。通过将非线性晶体设计为关联光谱解关联，采用PPKTP晶体，满足共线II型相位匹配，保证非线性晶体的受激参量下转换过程产生的光子对具有很高的纯度，即全同性。
根据本实用新型的实施例，如图1所示，该测量装置还包括双色镜3。双色镜3设置在激光光源1和非线性晶体4之间，并且与水平方向的夹角为45°，用于分离来自非线性晶体4第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光。双色镜3通过镀膜满足对于45°入射的第二泵浦光完全透射，对于45°入射的第二参量光完全反射。具体的，来自激光光源1的初始泵浦光进入双色镜3后，双色镜3能将初始泵浦光全部透射到非线性晶体4；来自非线性晶体4的第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光以45°入射双色镜3，双色镜3可以将第二参量光完全反射，同时将第二泵浦光完全透射。
双色镜3可以将第二参量光完全反射到分束器10上。第二参量光包括水平偏振模式的参量光和垂直偏振模式的参量光。分束器10可以分离水平偏振方向的参量光和垂直偏振方向的参量光。
根据本实用新型的实施例，分束器包括极化分束器。
根据本实用新型的实施例，如图1所示，该测量装置还包括第一聚焦透镜2和第二聚焦透镜9。第一聚焦透镜2设置于激光光源1和非线性晶体4之间，可以将来自激光光源1的初始泵浦光聚焦到非线性晶体4。第二聚焦透镜9设置于双色镜3和分束器10之间，可以将来自双色镜3的第二参量光准直为近似平行光，输入到分束器10。
图2示意性示出了根据本发明的另一个实施例的基于受激参量下转换的测量装置的示意图。
根据本实用新型的实施例，如图2所示，在分束器10和单光子探测器11之间还包括第三聚焦透镜12、第四聚焦透镜13和单模光纤14。第三聚焦透镜12和第四聚焦透镜13设置于单模光纤14与分束器10之间，可以将分束器10分离的水平偏振方向的第二参量光和垂直偏振方向的第二参量光聚焦到单模光纤14。单模光纤14与单光子探测器11相连，将水平偏振方向的第二参量光和垂直偏振方向的第二参量光送入单光子探测器11进行探测。
根据本实用新型的实施例，如图1所示，该测量装置还包括λ/4波片7，λ/4波片7是针对参量光波长设计的。λ/4波片7设置于凹面反射镜5和平面镜8之间，用于保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。第一泵浦光和第一参量光经过λ/4波片7两次，分别是凹面反射镜5将第一泵浦光和第一参量光反射到平面镜8，经过λ/4波片7；平面镜8将第一泵浦光和第一参量光反射回凹面反射镜5，经过λ/4波片7。第一泵浦光和第一参量光经过λ/4波片7两次，第一参量光中水平偏振方向的参量光和竖直偏振方向的参量光互换，第一泵浦光偏振方向不变。λ/4波片保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。
本实用新型提供基于受激参量下转换的测量装置，在各元件均理想的情形下，对待测相位的测量标准差能够达到海森堡极限。同时，即使在光纤收集过程以及单光子探测器过程存在一定光子损失时，原则上也只会对测量精度带来一个常数因子的降低，在渐进意义上仍然满足海森堡极限。具体的理论验证如下。
参量下转换过程在数学上对应于单模或双模压缩操作，以双模压缩操作为例。经过第一次受激参量下转换过程，即第一次双模压缩，首先产生一个双模压缩真空态的压缩光场。凹面反射镜将来自非线性晶体的压缩光场反射到平面镜，压缩光场经过楔形相位调节器产生相位Φ的变化后，即待测相位，再由平面镜将该压缩光场原路返回至凹面反射镜、和非线性晶体。压缩光场进入非线性晶体后，经过第二次受激参量下转换过程，即第二次双模压缩，产生两次压缩后的双模光场。分束器将两次压缩后的双模光场的两个偏振模式分离，送入单光子阈值探测器测量单路和两体符合。最终输出态的表达满足公式(1)：
其中
为双模压缩算符，为压缩量，
为相移算符。对输出态做阈值探测，则单次测量的费舍尔信息量(Fisher信息量)满足公式(2)：
其中结果表示第1个探测器的探测结果为，结果表示第2个探测器的探测结果为j，pij表示结果出现的概率。
有4种可能的结果{00，01，10，11}，探测结果为0表示探测器无响应，结果为1表示探测器有响应。经过直接的计算可知，Fisher信息量最大值为Fmax＝16sinh2(2r)，而经过样品的平均光子数为
由于压缩光场经过了非线性晶体两次，所以最佳相位灵敏度满足：
由上式可知最佳相位灵敏度达到了海森堡极限。
当测量装置存在外部光子损耗时，此时最佳相位灵敏度满足公式(4)：
其中，η为受激参量光收集效率和单光子探测器效率之积。
由公式(4)可知，当外部损耗一定时，光子损耗只会对测量精度带来一个常数因子的降低，在渐进意义上仍然满足海森堡极限。
综上所述，本实用新型提供基于受激参量下转换的测量装置，在各元件均理想的情形下，对待测相位的测量标准差能够达到海森堡极限。同时，即使在光纤收集过程以及单光子探测器过程存在一定光子损失时，原则上也只会对测量精度带来一个常数因子的降低，在渐进意义上仍然满足海森堡极限。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于受激参量下转换的测量装置，其特征在于，包括：
激光光源，用于提供初始泵浦光；
非线性晶体，用于对来自所述激光光源的初始泵浦光进行第一次受激参量下转换，得到第一参量光和第一泵浦光，以及对来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光进行第二次受激参量下转换，得到第二参量光和第二泵浦光；
凹面反射镜，用于将来自所述非线性晶体的第一参量光和第一泵浦光反射到平面镜，并将来自平面镜的第一参量光和第一泵浦光反射回所述非线性晶体；
平面镜，用于将来自凹面反射镜的第一参量光和第一泵浦光反射回所述凹面反射镜；
楔形相位调节器，用于调节来自所述凹面反射镜的第一泵浦光与第一参量光之间的相位；以及
单光子探测器，用于对来自所述非线性晶体的第二参量光进行单光子阈值探测。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述凹面反射镜和所述平面镜构成光学4f系统，所述凹面反射镜和所述平面镜之间的距离为所述凹面反射镜的一倍焦距；
所述凹面反射镜和所述非线性晶体之间的距离为所述凹面反射镜的一倍焦距。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述激光光源被配置为激光光源的光源口朝向所述非线性晶体，使得来自所述激光光源的初始泵浦光垂直入射所述非线性晶体。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括：
双色镜，用于分离来自所述非线性晶体第二次受激参量下转换产生的第二泵浦光和第二参量光。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，还包括：分束器，用于分离来自所述双色镜的不同偏振模式的第二参量光。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括：
第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述激光光源和所述非线性晶体之间，用于聚焦来自所述激光光源的初始泵浦光；以及
第二聚焦透镜，设置于所述分束器和所述双色镜之间，用于准直来自所述双色镜的第二参量光。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括：
λ/4波片，所述λ/4波片设置于所述凹面反射镜和所述平面镜之间，用于保证受激参量下转换过程不影响光谱解关联。
8.跟据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述楔形相位调节器设置于所述凹面反射镜和所述平面镜之间，所述楔形相位调节器的横截面为楔形，厚度变化为200微米。
9.跟据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，非线性晶体朝向所述激光光源和凹面反射镜的两侧设置有增厚膜。
10.跟据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光光源包括飞秒脉冲激光器，所述激光光源用于产生脉冲泵浦光。
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| CN114166359A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-11 | 中国科学技术大学 | 基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |