圖1.量子增強(qiáng)激光噪聲穩(wěn)定原理。(a) 量子增強(qiáng)振幅噪聲穩(wěn)定;(b) 量子增強(qiáng)相位噪聲穩(wěn)定;(c) 邊帶表象中振幅分量噪聲評(píng)估

近日，山西大學(xué)光量子技術(shù)與器件全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光電研究所在量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“量子增強(qiáng)激光相位噪聲濾波器”。相關(guān)研究成果以“Quantum-enhanced laser phase noise filter”為題發(fā)表于Optica。該論文第一作者為光電研究所博士生李瑞鑫，通訊作者為王雅君教授和鄭耀輝教授。博士生焦南婧、安炳南以及李衛(wèi)副教授、史少平副教授、田龍教授共同參與了此項(xiàng)研究。

激光噪聲廣泛存在于各類光學(xué)系統(tǒng)中，是限制測量分辨率與最小可探測信號(hào)的關(guān)鍵因素。盡管傳統(tǒng)主動(dòng)反饋技術(shù)已成功應(yīng)用于各種精密測量應(yīng)用場景，但其性能始終受限于經(jīng)典散粒噪聲極限。早在上世紀(jì)80年代，科學(xué)家便提出利用壓縮真空態(tài)光場突破經(jīng)典散粒噪聲極限的構(gòu)想，并于三十多年后成功突破了量子增強(qiáng)振幅噪聲的非經(jīng)典穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于激光相位噪聲無法直接讀取，必須依賴復(fù)雜干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一過程會(huì)引入大量技術(shù)噪聲，且主流的外差方案還存在量子噪聲懲戒等問題，使得量子增強(qiáng)相位穩(wěn)定研究長期成為國際難題。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的非經(jīng)典相位穩(wěn)定技術(shù)。基于噪聲橢圓旋轉(zhuǎn)機(jī)制，該方案成功規(guī)避了傳統(tǒng)相位噪聲讀出方法中的量子噪聲懲戒問題;同時(shí)借助混合預(yù)穩(wěn)定策略，將振幅與相位正交分量的技術(shù)噪聲同時(shí)抑制到主動(dòng)反饋控制內(nèi)環(huán)探測光束的散粒噪聲極限以下，大幅削弱了技術(shù)噪聲對(duì)反饋信號(hào)提取的污染。在此基礎(chǔ)上，通過在內(nèi)環(huán)環(huán)路中注入高品質(zhì)壓縮真空態(tài)光場，實(shí)現(xiàn)了量子增強(qiáng)的閉環(huán)反饋控制。對(duì)反饋控制外環(huán)光束(應(yīng)用光場)進(jìn)行相位噪聲分析可知，在5–60 kHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5 dB的相位噪聲量子增強(qiáng)抑制效果。與此同時(shí)，構(gòu)建的完整理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了精確預(yù)測，為未來量子濾波器性能的進(jìn)一步提升提供了清晰的技術(shù)路線。該成果在下一代引力波探測、超穩(wěn)激光系統(tǒng)、量子傳感及精密計(jì)量等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。

圖2.量子增強(qiáng)激光相位噪聲穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該研究得到國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金集成項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇