相敏放大器中的干涉诱导量子压缩增强

近期，实验室荆杰泰教授团队在量子精密测量领域取得重要进展。荆杰泰教授团队在实验上利用干涉（Interference）效应，在连续变量量子体系中实现了两光束间以量子压缩(Quantum Squeezing)表征的量子关联的增强。该成果发表在国际物理学重要学术期刊Physical Review Letters 123, 113602 (2019)。

量子压缩是一种非常重要的非经典效应，它与量子物理中的“不确定性原理”密切相关，因此对于量子物理的基础研究具有重要的科学价值。同时由于量子压缩光可以大幅降低系统的量子噪声，从而显著提高光学系统的信噪比和灵敏度，因此它又在量子精密测量当中具有重要的应用价值。例如，量子压缩可以用来提高激光干涉仪引力波天文台（LIGO）、原子磁力仪和光机磁力仪的灵敏度。此外，量子压缩还可以应用于激光束定位、旋转角测量以及时间传递等方面。量子压缩的程度直接决定了它对物理系统性能的提升程度。因此，增强量子压缩对于量子精密测量是至关重要的。

近年来，基于原子系综四波混频过程的非相敏放大器被证明是产生量子压缩的一种有效方法。由该系统产生的强度差压缩光束在量子成像、量子纠缠延迟以及非线性干涉仪等领域得到了重要的应用。与此系统不同，该团队另辟蹊径，在实验上实现了利用相敏放大器中的干涉效应提高量子压缩的方案。

在实验中，该团队分别测量了相同实验条件下非相敏放大器和相敏放大器产生的强度差压缩光束的量子关联。实验结果显示出相敏放大器产生的关联光束的量子压缩度（突破10 dB）要显著优于非相敏放大器。研究发现这种量子压缩的增强来源于理论预测中的一个干涉项，因此该团队在实验上详细分析了这一干涉项中系统增益、注入光强度比例以及干涉相位点对量子压缩的调控作用。这些研究清晰的表明相敏放大器中的量子压缩增强来源于其内在的干涉本质。该工作是一种增强量子压缩的有效方法，因此预计在提高量子测量的精度方面具有潜在的应用价值。

图1. 双光束相敏放大器系统、输出端的干涉条纹以及干涉诱导的量子压缩增强实验结果。