上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)量學(xué)重大突破，“量子孿生干涉儀”創(chuàng)立相位測(cè)量新范式

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院講席教授、李政道研究所兼職研究員張衛(wèi)平與助理研究員包谷之等組成的團(tuán)隊(duì)在量子干涉技術(shù)與量子精密測(cè)量領(lǐng)域再次取得重大突破，提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的干涉架構(gòu)—“量子孿生干涉儀”，將該團(tuán)隊(duì)自己一直保持的量子關(guān)聯(lián)干涉儀相位測(cè)量信噪比的國(guó)際記錄再次提升三個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)成果以 “Quantum Twin Interferometer” 為題，近日發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊 《Science Advances》。

▲圖1 量子孿生干涉儀實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

干涉儀在導(dǎo)航、引力波探測(cè)、電磁傳感及量子計(jì)量學(xué)的眾多方向都是不可或缺的精密測(cè)量工具，但其探測(cè)微弱信號(hào)的靈敏度最終受限于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。該團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)的光量子關(guān)聯(lián)干涉儀及量子增強(qiáng)梯度計(jì)已成功突破了這一極限，并長(zhǎng)期在國(guó)際上保持最好的記錄。

目前主流的量子干涉相位測(cè)量均采用平衡零拍探測(cè)原理，依靠一個(gè)強(qiáng)本地振蕩場(chǎng)作為參考，通過信號(hào)光與其干涉來(lái)提取相位信息。然而，長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)界并未意識(shí)到，由于強(qiáng)本地振蕩場(chǎng)的存在，平衡零拍探測(cè)中，干涉兩臂光強(qiáng)事實(shí)上處于極端不平衡狀態(tài)，這成為制約相位測(cè)量靈敏度的探測(cè)瓶頸。該團(tuán)隊(duì)?wèi){借理論與實(shí)驗(yàn)的雙重優(yōu)勢(shì)，敏銳地辨識(shí)到這一原理性局限。

▲圖2 平衡零拍和量子孿生干涉儀相位測(cè)量結(jié)果比對(duì)

為突破此局限，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了互為糾纏的“量子孿生干涉儀”架構(gòu)，取代現(xiàn)有的平衡零拍探測(cè)。基于并行配置的雙對(duì)孿生糾纏光束，建立了量子關(guān)聯(lián)干涉與糾纏探測(cè)協(xié)同的相位測(cè)量新范式，并成功在實(shí)驗(yàn)上打破了該團(tuán)隊(duì)自己一直保持的量子關(guān)聯(lián)干涉儀相位測(cè)量信噪比的國(guó)際記錄，信噪比再次提升三個(gè)數(shù)量級(jí)。這一成果標(biāo)志著量子計(jì)量學(xué)向前邁進(jìn)的又一里程碑。

該研究的共同第一作者為上海交通大學(xué)李政道研究所博士后杜威和物理與天文學(xué)院博士后吳書賀，包谷之和張衛(wèi)平為共同通訊作者。研究獲得了合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、上海市量子科學(xué)中心、國(guó)家自然科學(xué)基金委、量子科技創(chuàng)新2030計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部、上海市科委、中國(guó)博士后基金會(huì)等支持。

*注：杜威博士目前任職北京郵電大學(xué)特聘研究員

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