研制光量子关联干涉仪

发布日期: 2014-05-08   作者:   浏览次数: 29

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。近日,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》《物理评论快报》等国际权威学术期刊上。

  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。

  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。

  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,有望进一步提高LIGO系统对引力波的探测能力。

    发表在Physical Review Letters 111, 033608 (2013) 与Nature Communications 5, 3049 (2014)上的相关实验研究成果,在美国光学学会(OSA)从2014 年度全球科学家的200 多项最新光学研究成果中,通过编委的严格审核评选程序,入选该学会会刊《Optics & Photonics News》的特别成果专辑 《Optics in 2014》,全球同时入选的仅有30项成果。