近日，我校地球物理與空間信息學(xué)院胡祥云教授帶領(lǐng)的“深地資源與電磁探測(cè)”研究團(tuán)隊(duì)，與加拿大渥太華大學(xué)Lundeen實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Adetunmise Dada團(tuán)隊(duì)，在物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》（《物理評(píng)論快報(bào)》）發(fā)表了題為“Enhancing interferometry using weak value amplification with real weak values”（基于實(shí)數(shù)弱值的弱值放大增強(qiáng)干涉測(cè)量方法）的學(xué)術(shù)論文。該研究提出了一種突破性的光學(xué)干涉測(cè)量方案，顯著提升了測(cè)量精度。胡祥云教授、Jeff S. Lundeen教授共同擔(dān)任通訊作者，論文第一作者為黃鯨琿博士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）為第一署名單位。
光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)作為精密測(cè)量的重要手段，在物理量檢測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從Sagnac干涉儀檢測(cè)旋角速度，到Mach-Zehnder干涉儀探測(cè)折射率變化，再到Michelson干涉儀用于引力波探測(cè)，其核心原理都是將微小物理量轉(zhuǎn)換為光子時(shí)間延遲進(jìn)行測(cè)量。干涉儀的測(cè)量精度主要受到技術(shù)噪聲和基本量子噪聲的限制。當(dāng)前，盡管量子計(jì)量學(xué)方法（如糾纏光子或壓縮光）可以有效降低基本量子噪聲的影響，但在大多數(shù)干涉儀（包括科研領(lǐng)域的精密儀器）中，技術(shù)噪聲仍是主要的限制因素。
圖一 “弱值放大技術(shù) + 干涉測(cè)量”原理圖和原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案。
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將弱值放大技術(shù)與傳統(tǒng)干涉測(cè)量相結(jié)合，提出了一種全新的超靈敏干涉測(cè)量方案，可以顯著地抑制干涉儀中的技術(shù)噪聲。該“弱值放大技術(shù) + 干涉測(cè)量”方法通過(guò)弱值放大增強(qiáng)干涉儀中兩條路徑之間的相對(duì)延遲，從而提高干涉測(cè)量的靈敏度和信噪比。如圖一所示，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在雙縫干涉儀中成功實(shí)現(xiàn)了阿秒級(jí)時(shí)間分辨率的光子時(shí)間延遲測(cè)量。特別值得關(guān)注的是，該方法突破了傳統(tǒng)測(cè)量對(duì)探測(cè)器時(shí)間分辨率的依賴(lài)，其測(cè)量精度主要受限于相干光源的本征散粒噪聲和減弱的實(shí)驗(yàn)技術(shù)噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，該方法可將測(cè)量信噪比提升一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)（結(jié)果見(jiàn)圖二）。
圖二 實(shí)驗(yàn)信噪比與散粒噪聲極限的比較。
圖中包括理論散粒噪聲極限（粗線(xiàn)）、實(shí)驗(yàn)散粒噪聲極限（帶誤差條的數(shù)據(jù)點(diǎn)），以及實(shí)驗(yàn)信噪比（帶統(tǒng)計(jì)誤差條的引導(dǎo)線(xiàn)和數(shù)據(jù)點(diǎn)）。其中，紅色、綠色和藍(lán)色分別對(duì)應(yīng)不同的弱值放大技術(shù)設(shè)定，紫色數(shù)據(jù)代表傳統(tǒng)干涉儀方案。
該研究具有重要基礎(chǔ)物理研究?jī)r(jià)值和廣泛工程應(yīng)用前景。一方面，盡管弱值放大技術(shù)在超靈敏縱向相位測(cè)量（即光子的時(shí)間延遲估計(jì)）中已取得顯著進(jìn)展，但其應(yīng)用受限于寬帶光源和高分辨率光譜儀的需求。本項(xiàng)研究的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在窄帶光源條件下，利用實(shí)數(shù)弱值仍可實(shí)現(xiàn)接近量子極限的光子時(shí)間延遲測(cè)量，為弱值放大技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另一方面，傳統(tǒng)干涉測(cè)量技術(shù)主要依賴(lài)于路徑差測(cè)定，其精度受技術(shù)噪聲的限制。研究提出的方案為有效降低傳統(tǒng)干涉測(cè)量中的技術(shù)噪聲、測(cè)量精度在理論上逼近散粒噪聲極限成為可能。該方法在光學(xué)計(jì)量、量子光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、以及天體物理觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。
此外，該技術(shù)還可推廣應(yīng)用于地球物理場(chǎng)觀(guān)測(cè)，例如弱地磁場(chǎng)測(cè)量、重力梯度探測(cè)、地震波探測(cè)等。團(tuán)隊(duì)相關(guān)探索研究已在 Physical Review Letters、Physical Review A、Physical Review D、European Physical Journal A、Classical and Quantum Gravity 等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表論文十余篇。
本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)及國(guó)家留學(xué)基金委員會(huì)等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.080802
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
