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Infrared and Laser Engineering

微弱光信号的量子增强接收优化方法(特邀)

东晨 Dong Chen, 郭畅 Guo Chang, 吴田宜 Wu Tianyi, 冉阳 Ran Yang, 党可征 Dang Kezheng, 李福全 Li Fuquan, 周子超 Zhou Zichao

Published Jan 1, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

在经典理论框架下,相干探测性能受限于散粒噪声对应的标准量子极限,而量子增强接收技术通过引入位移算子,采用关联的方式将经典的平衡零拍/零差探测转化为光子数态的测量,理论上可以突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限。无歧义量子态识别(Unambiguous State Discrimina-tion, USD)是量子增强接收常用的识别判决策略之一。然而,由于微弱光信号的能量有限,传统的USD量子增强接收方法的适用微弱信号范围较小,微弱信号识别的错误率较高。提出了一种QPSK调制量子增强接收的混合测量优化方案,该方案首先通过二态零差测量将QPSK相干态的区分转化为BPSK相干态的区分,然后通过BPSK量子增强接收测量实现相干态的无歧义识别。仿真表明,混合测量方案在平均光子数在3.2~11.3之间优于经典的外差测量方案,而且比传统QPSK量子增强接收方案具有更大的适用信号范围。

DOI
10.3788/irla20230189

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基于超高品质因子微腔的长相干时间量子关联光子对源(特邀)

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长相干时间量子光源在量子通信、量子计算和量子精密测量等领域具有重要意义。然而,基于回音壁模式光学微腔实现长相干时间量子光源的研究尚未见报道。基于微棒腔中的自发四波混频理论,成功制备品质因子达7.1×107、自由光谱范围为22 GHz的玻璃棒微腔,并实验验证基于该微腔的量子关联光子对产生。通过对光子对进行关联测试,测得相干时间长达83 ns。该结果表明:基于玻璃棒微腔的长相干时间量子光源器件,为发展高性能量子信息技术提供重要的技术支撑。

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相位敏感光参量放大在光通信中的应用前景 (内封面文章·特邀)

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光放大技术通过增强光传输信号强度,克服光纤/空间激光通信链路传输中的损耗,是光通信领域的核心技术之一。然而,包括掺铒光纤放大器等在内的多数光放大器均为相位不敏感型光放大器,受限于3 dB的量子噪声极限,限制了长距离通信的信噪比提升和通信质量。相比之下,相位敏感光参量放大技术利用非线性光学混频的原理,不仅能够将光放大噪声系数降至0 dB,同时兼顾较好的增益,在优化通信性能、延长通信距离、全光信号处理等方面均有不俗表现,有望推动光通信技术的进一步发展。文中对相位敏感光参量放大技术进行了介绍,并展望了其在光通信领域中的潜在应用前景。

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基于铯原子系综四波混频过程制备的强度差压缩态光场具有波长与铯原子跃迁线匹配和空间多模的优势,在量子信息领域具有重要应用。然而,通过铯原子四波混频过程制备高压缩度的压缩态光场通常需要较高的泵浦光功率和原子池温度,这限制了其应用。本研究结合六镜环形光学谐振腔和铯原子系综,使泵浦光在光学谐振腔内实现单共振,同时让探针光和共轭光单次穿过光学谐振腔,有效提高了泵浦光的利用率,进而实现了腔增强的铯原子四波混频过程,从而显著降低了其对泵浦光功率和原子池温度的要求。实验结果表明,当获得的强度差压缩度为-6 dB时,相比于无腔四波混频过程,腔增强四波混频过程所需的泵浦光功率由600 mW降低至340 mW,并且原子池温度由109 ℃降低至98 ℃。研究结果为发展低功耗、空间多模量子光源提供了新方案,对于促进原子系综四波混频过程的应用具有重要意义。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•1 citation

QPSK信号量子增强接收的混合测量方案研究

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量子增强接收技术具有比传统的相干探测技术更高的测量性能极限,在相干光通信领域能够为非正交量子态的识别提供更低的误符号率,提升相干光通信系统的性能。然而,目前QPSK信号的量子增强接收自适应反馈方案仍然面临方案过于复杂或性能难以突破标准量子极限的问题。本文联合经典零差测量和量子测量设计了混合测量方案,并基于报道的实验数据优化方案参数,最后通过蒙特卡罗仿真和数值模拟,计算混合测量方案在实验参数环境下的性能。该方案通过零差测量实现QPSK四态识别到二态识别问题的转换,并通过二元量子测量实现最终判决。仿真结果说明:对于平均光子数小于2的微弱相干光信号,混合测量方案具有在实际条件下突破标准量子极限的能力,在平均光子数为2时,误符号率相比标准量子极限降低了10%。本研究为QPSK微弱信号的量子增强接收提供了一种结构简单、性能能够突破标准量子极限的方案,为量子增强接收技术在星地相干光等长距离通信系统的应用提供了参考。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2024•0 citations

量子干涉仪灵敏度优化:机制、进展与未来挑战(特邀)

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量子干涉仪将量子操控技术与干涉测量技术相结合,利用光场和原子的相互作用,实现对相位敏感物理量的精密测量,其精度可超越经典极限。然而,量子资源固有的脆弱性与复杂性,使得如何充分挖掘其优势以提升干涉仪的相位灵敏度并实现稳定测量,成为推动量子干涉仪走向实际应用的关键挑战。基于线性和非线性量子干涉仪,系统阐述在实际损耗环境下量子干涉相位测量的优化机制及其效果,并介绍此类技术在精密测量、量子信息存储、量子非破坏性测量等前沿领域的应用进展。此外,针对如何维持量子资源的长期稳定性这类应用难题,提出相应的解决方案并展望未来发展方向。

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基于里德堡原子天线混频的微波相位噪声影响测量

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本文理论分析和实验测量研究了微波相位噪声对里德堡原子天线微波混频信号的影响。通过研究微波混频信号的相位噪声项,建立在信号场中加入相位噪声后微波混频信号强度变化的理论模拟图。实验基于室温铯原子气室中里德堡原子电磁感应透明光谱,实现里德堡原子|64S1/2?→|64P1/2?态的电偶极跃迁,得到频率13.806 057 GHz与13.806 000 GHz的微波场混频信号。同时,对混频信号强度的参数依赖关系进行研究。经实验发现,基于里德堡原子天线微波混频信号强度与参考场的功率有关,优化功率参数条件下,参考场可以实现约20dB的混频信号增强;当参考场调控里德堡原子达到微波混频效率最大时,在信号场中加入相位噪声,会导致混频信号强度的显著降低。

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