非理想强度差起伏量子非破坏性测量的实验方案

    1　引　　言

    量子测量理论指出,当对某一微观物体的可观测物理量进行精密测量时,将不可避免地对其共轭量产生一个扰动(即“测量噪声”),这一扰动通常又反作用于原可观测量,从而限制了测量精确度。70年代,Braginski首先提出了量子非破坏性(QND)测量原理[1],克服了“测量噪声”,达到了经典测量无法实现的超高精度,同时也满足了量子测不准原理。近年来,人们已经实现了几种不同类型的量子非破坏性测量[2~10],并在此基础上,又开展了“类量子非破坏性”测量[7,10],它满足Holland提出的判据[11],然而被测物理量通过测量装置后被线性地放大或衰减。1996年,Walls等人利用两腔镜组成的非简并光学参量振荡腔(NOPO),提出一种强度差量子非破坏性测量的理论方案[8],在阈值以上可由探针光的信息来推知待测物理量。

    在上述基础上,我们提出了一种通过非简并光学参量放大腔(NOPA)实现真正意义上的强度差起伏量子非破坏性测量的实验方案,克服了以上测量的缺点。本文主要讨论了探针输入噪声和探测系统测量效率对测量的影响。

    2　实验方案

    实验装置如图1(a)所示,绿光抽运光和两个偏振红外信号光(s和p偏振光)同时注入非简并光学参量放大腔(由M₁、M₂、M₃和M4四个腔镜组成)。其中,M₁(信号耦合镜)、M₂(探针耦合镜)对红外光的透射率分别为1%、5%,对绿光全反;M₃(绿光输入镜)对绿光透射率为5%,对红外全反;M₄是全光反射镜。这里,α-切割的KTP作为非线性晶体,PZT为压电陶瓷。在M₁处,注入信号场(即被测物理量)绝大部分被反射,而仅有少量场进入非简并光学参量放大腔被耦合放大并在M₂处进行测量。

    图1(b)中,平衡零拍探测系统分别由偏振分束器BS、两个聚焦透镜(L₁和L₂)、两个光探测器(D₁和D₂)和一个减法器组成,其光电流差噪声可由谱仪记录下来。这样,将具有两偏振(s和p偏振)特性的信号输入场(Sⁱⁿ)、信号输出场(S^out)、探针输入场(Mⁱⁿ)和探针输出场(M^out)分别通过该测量系统后,可得到各自量子非破坏性测量的强度差起伏变量信息。

    3　理论分析

    在图1(a)中,环形内腔谐波模、s和p偏振亚谐波模的光子湮灭算符分别被表示为a₀、a₁和a₂,且〈a₁〉=〈a₂〉=α。若该腔仅被谐波相干光场抽运,它叫非简并光学参量振荡腔,且平均抽运场〈aⁱⁿ₀〉=β0,只有超过一定的阈值后,才有亚谐波模产生;若同时又有s和p偏振亚谐波模注入,那么它就叫非简并光学参量放大腔。相对非简并光学参量振荡腔而言,非简并光学参量放大腔更有利于实现真正意义上的量子非破坏性测量,因为它只要有少量的信号注入,就可以在腔中耦合放大,从而被测物理量经过测量装置后基本不变,并在阈值以下很容易产生明亮的强度差压缩态,从而增强了输入场与输出场之间的关联。假定M₁处的信号输入(输出)场为,M2处的探针输入(输出)场为,且有