物理与材料科学学院

华东师范大学成功研制光量子关联干涉仪

能有效克服量子噪声,或可用于引力波探测
发布日期: 2014-04-22   作者: 刘金玉、陈丽清  浏览次数: 85

  受探索自然与宇宙的好奇心驱使,极其微弱信号的探测一直是物理学家致力解决的科学难题。一个典型的例子是引力波的探测。上世纪初,爱因斯坦根据他的广义相对论,预言了宇宙中引力波(gravitational  waves)的存在。但由于其信号极其微弱,即使存在,通常也被淹没在探测仪器的量子噪声背景中而难以被探测到。为了观测引力波,科学家在地球几个不同地方建立了激光干涉引力波观测站(LIGO)。  但迄今为止,引力波仍像谜一样徘徊在科学家的“视线”之外。最近华东师范大学研究人员在微弱信号的探测方面取得重大突破,发展了一种新型的激光干涉技术,或可用于包括引力波探测、医学、勘测、导航等多个领域。

  据悉,由该校长江学者张卫平教授领衔的量子研究团队日前在国际上率先研制出光量子关联干涉仪。该干涉仪能有效克服量子噪声对被测量信号的限制,可探测各种极其微弱信号。相关研究成果已发表在《自然通信》(Nature  Communications)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)等国际权威学术期刊上。

张卫平教授与研究团队部分成员在实验中。


  传统的光学干涉仪经过从普通光源到激光光源的发展,一直被公认为是一种高精密与高灵敏的光学测量仪器,并已广泛应用于天文观测、惯性导航、工业检测等领域。然而,随着科学与技术不断发展的需要,人们对极其微弱信号的探测越来越关注。根据量子物理学,任何可观测的物理量都受到海森堡测不准原理的限制。光学干涉仪也不例外,它对微弱信号的探测能力,或者灵敏度最终受限于真空量子噪声涨落。怎样既不违背量子物理规律又能克服量子噪声对被测信号的限制,一直是困扰着科学家们的一个难题。

  张卫平研究团队所采取的方法非常巧妙。他们的研究思路是希望借助放大信号来抑制量子噪声,从而提高探测灵敏度。这意味着他们首先需要研制一个只放大信号而不放大量子噪声的新型光放大器。显然,这样的放大器超出了目前的线性光学放大器的原理范畴。利用碱金属铷原子(Rb)非线性量子光学四波混频过程中的光量子关联特性,该团队突破了线性光学放大器信号与噪声必须同时被放大的限制,实现了这种低噪声光放大器。在此基础上,他们进一步用这种放大器取代传统激光干涉仪中的光束分束器,终于研制成功光量子关联干涉仪。

光量子关联干涉仪原理与实验光路图

光量子关联干涉仪实验实物图


  《自然通信》审稿人认为,该项工作是一项原创性的研究,将会启发进一步的理论与实验工作。不同于所有以前的量子精密测量实验,该项研究所展示的是一种真正量子操作的新型干涉仪。

  张卫平教授说,在原理上,各种物理信号都可以变换成光的相位信号。在这个意义上,新研制的光量子关联干涉仪可适用于各种极其微弱信号的探测。特别是,若将该干涉仪技术与引力波探测LIGO系统中的巨型干涉仪相结合,可望进一步提高LIGO系统对引力波的探测能力。


张卫平教授与研究团队部分成员在研讨。


  张卫平教授强调,该研究是华东师范大学量子团队实验与理论研究人员通力合作的结果。青年教师荆杰泰教授、欧盟-中国联合博士后Florian  Hudelist、博士研究生孔嘉以及紫江讲座教授区泽宇等对实验工作做出了重要贡献。该项工作得到国家自然科学基金委、国家科技部、教育部以及上海市科委的长期支持。