前言
本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国量子技术标准化技术委员会(SAC/TC 578)提出并归口。
本文件起草单位:山西大学、太原师范学院、北京华航无线电测量研究所、太原科技大学、青岛大学中北大学、科大国盾量子技术股份有限公司、中国计量大学、西安空间无线电技术研究所、太原理工大学、华东师范大学、济南量子技术研究院、中电信量子信息科技集团有限公司、北京空间机电研究所、中国电子科技集团公司第四十一研究所、中国标准化研究院、中国科学技术大学上海研究院、广东国腾量子科技有限公司、中国长城科技集团股份有限公司、山西斯珂炜瑞光电科技有限公司、河南省科学院。
本文件主要起草人:郑耀辉、王雅君、张文慧、马菁汀、孙小聪、潘庆、沈照功、唐军、李东东、李传亮李卫、史少平、田龙、谭爱红、杨文海、苏晓龙、张天才、张明江、郜江瑞、荆杰泰、贾晓军、王超凡、刘尊龙、刘勇、冯飞、林栩凌、马维光、史学舜、张靖、吴恒奎、张宽收、张萌、徐洋、郭邦红、于春霖、王俊芬、徐红星。
1 范围
本文件给出了量子压缩光源的原理与分类,规定了量子压缩光源的关键参数要求,描述了相关制备与测试方法。
本文件适用于基于非线性晶体的光学参量振荡器(optical parametric oscillator,OPO)产生的量子压缩光源的制备。四波混频、光力和克尔效应等方法的量子压缩光源制备参考使用。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 25915.1—2021 洁净室及相关受控环境 第1部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级
GB/T 43737—2024 量子测量术语
3 术语和定义
GB/T 43737—2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
标准量子极限 standard quantum limit
散粒噪声极限 shot noise limit
由量子力学原理决定的噪声极限。
3.2
真空态 vacuum state
真空能量密度的量子态。
注:处于真空态时,两个正交分量的量子噪声相等且达到标准量子极限
3.3
相干态 coherent state
具有完全相干特性,且满足海森堡不确定性原理极限的正交分量涨落分布呈圆形特征的量子态。
[来源:GB/T 43737—2024,3.12]
3.4
压缩态 squeezed state
满足海森堡不确定性原理极限的正交分量涨落分布呈椭圆形特征的量子态。
[来源:GB/T 43737—2024,3.13]
3.5
量子压缩光源 quantum squeezed light source
能产生压缩态的量子光源。
3.6
压缩度 squeezed degree
衡量压缩分量量子噪声涨落的程度。
4 量子压缩光源的原理与分类
4.1 原理
依据海森堡不确定性原理,量子压缩光源通过相敏非线性过程,能抑制光场的某一正交分量的噪声涨落,使其低于标准量子极限,而与之共轭的正交分量噪声涨落则被放大。当使用量子压缩光源开展精密测量时,待测信号物理量与压缩分量一致,则能突破标准量子极限实现信号提取。
如果两个正交分量的噪声方差 Δ2hatA 和 Δ2hatB 满足公式(1)或公式(2)的关系,即为压缩态:
Δ2 hat A < 1/2 mid α mid , Δ2 hat B > 1/2 mid α mid(1)
Δ2 hat A > 1/2 mid α mid , Δ2 hat B < 1/2 mid α mid(2)
式中:
, ———量子压缩光源的两个正交分量,满足对易关系: [hatA,hatB]=ihatα ;
Δ2hatA 量子压缩光源正交分量 hatA 的量子噪声涨落;
Δ2hatB 量子压缩光源正交分量 hatB 的量子噪声涨落。
因此,两个分量的方差不能同时小于 1/2|α| 当两正交分量为振幅和相位时,正交振幅算符和正交相位算符定义见公式(3)和公式(4):
hat X = (hat a + hat a+)(3)
hat Y = 1/(dot i) (hat a - hat a+)(4)
式中:
hatX 正交振幅算符;
hata 湮灭算符;
hata+ 产生算符;
hatY 正交相位算符。
i 虚数单位。
使用 X、Y 得到压缩态的噪声方差满足公式(5)或公式(6)的关系:
Δ2 hat X < 1, Δ2 hat Y > 1(5)
Δ2 hat X > 1, Δ2 hat Y < 1(6)
式中:
Δ2hatX 正交振幅噪声涨落;
Δ2hatY 正交相位噪声涨落。
真空态、正交振幅压缩态和正交相位压缩态的相空间噪声分布示意图如图1所示,其中 r 为压缩因子。
4.2 分类
4.2.1 正交振幅压缩态量子光源
当基频光和倍频光的相对相位为π时,光场振幅分量的噪声涨落低于相干态正交振幅分量涨落,产生该光场的光源称为正交振幅压缩态量子光源,即满足公式(5)。示意图见图1b)。
4.2.2 正交相位压缩态量子光源
当基频光和倍频光的相对相位为0时,光场相位分量的噪声涨落低于相干态正交相位分量涨落, 产生该光场的光源称为正交相位压缩态量子光源,即满足公式(6)。示意图见图1c)。
4.2.3 正交压缩态量子光源
当压缩态的压缩角为任意角度时,光场正交振幅和正交相位线性组合分量的量子涨落低于相干态的噪声涨落,产生该光场的光源称为正交压缩态量子光源,即满足公式(7)或者公式(8)。
Δ2 (cos (θ)/2 hat X + sin (θ)/2 hat Y) > 1, Δ2 (- sin (θ)/2 hat X + cos (θ)/2 hat Y) < 1 (7)
Δ2 (cos (θ)/2 hat X + sin (θ)/2 hat Y) < 1, Δ2 (- sin (θ)/2 hat X + cos (θ)/2 hat Y) > 1 (8)
式中:
———压缩角。
正交压缩态示意图见图2,其中, X 1 和 Y1 分别表示正交振幅与正交相位分量; X 2 和 Y2 分别表示任意压缩角的正交压缩态对应的压缩分量与反压缩分量;θ 为 X1 轴与 X 轴之间夹角的2倍。
5 关键参数
5.1 概述
量子压缩光源参数包括压缩度、输出功率、光束质量、纯度,各参数定义、功能和计算公式如下
a) 压缩度:量子压缩光源关键参数指标,定义为压缩分量的噪声方差V 的对数值,单位为dB,用于衡量光源压缩分量的量子噪声水平,计算公式见公式(9)。
VdB =10 lg(Vs)(9)
b) 输出功率:量子压缩光源直接输出的压缩光的功率大小,可使用功率计测量,单位为 μ W ,用于表征量子压缩光源亮度。
c) 光束质量:采用光斑的 M2 因子评价压缩光的光束质量,用于表征压缩态量子光源聚焦的能力,光斑 x 和 y 方向的 M2 因子计算公式见公式(10)。
M2 = (π)/(4 λ) Theta ×2 ω0(10)
式中:
Θ 远场发散角;
ω0 实际光斑腰斑半径。
d) 纯度:用于表征量子态与纯态接近程度的物理量,计算公式见公式(11)。
Purity = 1/(√(det(σ)))(11)
式中,协方差矩阵 σ= etaVa+1-η&0\0&etaVs+1-η 为对角矩阵,η 为传输效率, Va 为反压缩噪声方差。
5.2 压缩度
按照公式(9)计算,压缩度应小于 0 dB
注:负值表示压缩,即压缩分量的量子噪声涨落低于标准量子极限,例如-3 dB表示压缩度为3 dB。
5.3 输出功率
对于明亮压缩态,输出功率宜大于 10 μW ;对于压缩真空态,不考核输出功率指标。
注:压缩真空态是对真空场的操控,不计输出功率
5.4 光束质量
按照公式(10)计算, M2 因子宜小于1.1。
5.5 纯度
按照公式(11)计算的纯度值应介于0~1之间。
注:纯度是衡量量子态与纯态接近程度的物理量,纯度越接近1,量子态越接近理想纯态。
6 制备方法
6.1 概述
量子压缩光源制备系统主要包括:单频激光系统、相敏非线性模块、探测系统、腔长锁定电子伺服回路以及相位锁定电子伺服回路,组成框图如图3所示。
各组成部分主要功能为:
a) 单频激光系统:提供光源和频率标准;
b) 相敏非线性模块:制备压缩态光场;
c) 腔长锁定电子伺服回路、相位锁定电子伺服回路:用于激光稳频、滤波、降噪和相位稳定;
d) 探测系统:测试压缩态光场的压缩度、输出功率、光束质量、纯度以及稳定性等参数。
6.2 制备系统
6.2.1 单频激光系统
单频激光系统(single frequency laser system,SFLS)应满足如下指标:
a) 激光器数量:1台;
b) 激光纵模模式:单纵模;
c) 激光横模模式:单横模;
d) 激光功率稳定性:≤±1%;
e) 模式清洁器:激光器出射光通过模式清洁器后,应能滤除压缩态测量频段的激光噪声,使噪声
水平达到标准量子极限
6.2.2 相敏非线性模块
相敏非线性模块主要指光学参量振荡器,其参数应满足如下指标:
a) 工作状态:低于参量振荡阈值;
b) 信号光经典增益:7 dB~15 dB;
c) 相对相位:0或π;
d) 谐振条件:压缩光单谐振,或压缩光与泵浦光双谐振;
e) 信号光与泵浦光的模式匹配效率:≥95%。
6.2.3 电子伺服回路
电子伺服回路包括腔长锁定电子伺服回路和相位锁定电子伺服回路。电子伺服回路应满足如下指标:
a) 控制增益:≥20 dB;
b) 相位裕度: 30°∼45°;
c) 控制带宽:50 kHz~150 kHz。
6.2.4 探测系统
6.2.4.1 平衡零拍探测器
平衡零拍探测器(balanced homodyne detector,BHD)能够放大光学参量振荡器输出的弱信号光(压缩光),且不引入额外经典噪声,直接测试压缩光正交分量的压缩与反压缩噪声谱,评估量子压缩光源的量子噪声水平。平衡零拍探测器宜满足如下指标:
a) 量子效率:≥90%;
b) 共模抑制比: ≥20 ~dB ;
c) 电子增益:≥10 dB;
d) 探测带宽:能测量的最大分析频率至少达到压缩光的压缩带宽。
注:压缩分量的噪声方差V 随测量的分析频率的增加而逐渐变大,从低频处的V 变化为 Vs+0.5(1-Vs )时,对应的频率谱宽度即为压缩光的压缩带宽。
6.2.4.2 光功率计
光功率计能够测量光功率大小,可进行压缩光功率的直接测量。光功率计应具备长时间采集并保存数据的功能,或具有数据接口可将数据直接导入电脑进行数据处理。光功率计宜满足如下指标
a) 工作波长:覆盖光源中心波长;
b) 测量光功率范围:覆盖量子压缩光源输出光功率;
c) 测量不确定度(k=2):≤0.5 dB。
6.2.4.3 光束质量分析仪
光束质量分析仪能够对压缩光横模模式的空间能量或强度分布、光束宽度、椭圆度和方向等信息进行测量,并测量光场的 M2 因子。光束质量分析仪宜满足如下指标
a) 工作波长:覆盖光源中心波长;
b) 饱和光功率范围:覆盖量子压缩光源输出光功率;
c) 测量距离:可沿着光传播方向扫描光斑在 x 和 y 方向形成的双曲线型轨迹,准确测量光斑直径及演化轨迹。
6.3 制备步骤
6.3.1 激光噪声滤波
激光噪声滤波的具体制备步骤如下:
a) 单频激光器输出的基频光,通过合适的透镜组成对基频光光斑进行整形,并耦合至高稳定模式清洁器中;
b) 优化透镜组合的焦距和类型(凸透镜或凹透镜)以及各透镜的间距,并调节模式清洁器前的导光镜,实现基频光与模式清洁器基模的模式匹配,使匹配效率≥98%;
c) 此时,模式清洁器透射光的空间基模实现纯化,压缩光对应分析频段较大的振幅噪声和相位噪声被滤除,光束质量和指向稳定性得到提升,为高压缩度压缩态的制备与测量提供噪声达到标准量子极限的激光光束。
6.3.2 相敏非线性模块
6.3.2.1 概述
压缩光能够通过 OPO、四波混频、光力法、克尔效应等方法制备。本文件主要介绍 OPO 方法,其余方法的相敏非线性过程见附录 A。
注:不同制备方法的区别在于所依托的非线性过程不同,但其共同特征是制备过程需经历相敏非线性相互作用。
6.3.2.2 光学参量振荡器
光学参量振荡器的具体制备步骤如下:
a) 将经过模式清洁器的基频光用分束器分为三路;
b) 第一路基频光占绝大部分功率,注入倍频腔(second harmonic generator,SHG)进行参量上转换,产生倍频光,作为 OPO 的泵浦光;
c) 第二路基频光和SHG 产生的倍频光同时注入 OPO 中,在 OPO 内的非线性晶体中发生参量下转换,产生下转换光;
d) 参量下转换过程结合泵浦光与压缩光的相对相位锁定即完成相敏非线性相互作用,实现稳定的压缩光输出。通过电子伺服控制回路将下转换光和泵浦光的相对相位锁定为 π,此时OPO 输出的下转换光即产生正交振幅压缩光;通过电子伺服控制回路将下转换光和泵浦光的相对相位锁定为0,此时 OPO 输出的下转换光即产生正交相位压缩光;当上述压缩光用特定的技术手段(如噪声椭圆旋转技术等)操控压缩角为任意角度时,产生正交压缩光
6.4 探测系统
探测系统的具体制备步骤如下:
a) 通过调节6.3.2.2分束器,将输出的第三路基频光功率调节至大于压缩光功率至少100倍;
b) 第三路基频光作为本底光,与压缩光在50:50分束器上相干耦合;
c) 50:50分束器输出的两路光分别注入 BHD的两个探测器进行差分探测;
d) 通过锁定或扫描两光束的相对相位,实现对压缩光压缩分量与反压缩分量的探测;
e) BHD输出的差分信号由频谱分析仪记录;
f) 将注入光束质量分析仪的压缩光功率调节至小于成像探头的饱和功率;
g) 将压缩光单独注入光功率计或光束质量分析仪中,测试压缩光的功率和光束质量。
7 测试方法
7.1 测试条件
量子压缩光源制备环境如下:
a) 温度: 25°C ±3°C ;
b) 相对湿度: (40±10) )%;
c) 洁净度:符合 GB/T 25915.1—2021规定的ISO 7级及以上;
d) 电源环境:220 V,配备 UPS和稳压电源。
7.2 压缩度及其稳定性测试
压缩度测试框图如图4所示。具体测试步骤如下。
a) 挡住量子压缩光源输出的压缩光,仅本底光进入BHD,经50:50分束器输出后注入BHD的探测器1和探测器2,两探测器输出的交流光电流信号通过减法器相减后接入频谱分析仪,此时记录 BHD输出的噪声谱可得到标准量子极限 Asql
b) 将量子压缩光源输出的信号光与本底光同时注入 BHD,在 50:50 分束器上发生干涉,相干耦合输出的两路光分别注入 BHD的探测器1和探测器2。
c) 探测器1和探测器2输出的交流光电流信号通过减法器相减后进入频谱分析仪。
d) 扫描本底光路中的压电陶瓷,两束光之间的相对相位在 0∼π 之间不断发生变化。在不同的相对相位处,50:50分束器输出的干涉信号光强不同,依据光强大小的不同依次可测量信号光的反压缩分量、压缩分量或者介于两者之间的量子噪声方差信息。
e) 通过频谱分析仪记录 BHD 输出的扫描光电流信号,即获得压缩光正交分量的量子噪声,扫描信号的最小值标记为压缩分量 A ,最大值标记为反压缩分量 Aa
f) 通过计算量子噪声最小值与标准量子极限的差值,可得到压缩光的压缩度,计算公式见公式(12)。
VdB = As - Asql(12)
g) 通过电子伺服回路锁定 OPO 腔长、泵浦光与种子光的相对位相、本底光与压缩光的相对位相,使 OPO 稳定工作于最大压缩度,记录压缩度的长期稳定性。测试时间应根据具体应用场景由供需双方协商确定,典型测试时间不少于2 h。记录压缩度随时间变化的最大值 Vmax 与最小值 Vmin 之 间的峰峰值 Vp-p ,见公式(13),并计算所有数据点的平均值,标记为V,则量子压缩光源的长期稳定性为 Vp-p/V
Vp-p = Vmax - Vmin(13)
7.3 输出功率及其稳定性测试
输出功率测试框图如图5所示。具体测试步骤如下:
a) 将量子压缩光源输出的明亮压缩光经透镜聚焦,使全部光束进入光功率计,待输出功率稳定;
b) 仔细校准量子压缩光源的光学谐振腔长和相对相位锁定环路的锁定零点、控制系统的比例(proportional,P)、积分(integral,I)、微分(differentive,D)等参数,使光源输出功率达到最大并保持在最高压缩度稳定运行,用光功率计记录此时压缩光源的输出功率;
c) 待量子压缩光源的输出功率和压缩度稳定并无明显波动后,记录输出功率的长期稳定性,测试时间应根据具体应用场景由供需双方协商确定,典型测试时间不少于2h。记录功率随时间变化的最大值 Pmax 与最小值 Pmin 之间的峰峰值 Pp-p ,见公式(14),并计算所有数据点的平均值,标记为 P,则量子压缩光源输出功率的长期功率稳定性为 Pp-p/P
Pp-p = Pmax - Pmin(14)
式中:
Pmax 记录的最大输出功率;
Pmin 记录的最小输出功率。
7.4 光束质量测试
光束质量测试框图如图6所示。具体测试步骤如下:
a) 将量子压缩光源输出的明亮压缩光通过衰减器衰减至合适功率后,输入至光束质量分析仪,调节光束质量分析仪前方的透镜,使聚焦后的腰斑落在光束质量分析仪内机械导轨中心附近,同时保证聚焦光束在导轨上每一处的光斑均照射在光束质量分析仪成像探头中心;
b) 满足上述优化条件后,沿着导轨将光束质量分析仪成像探头从近到远或从远到近以等间距移动,并记录每一位置处的光斑大小,绘制出完整的光斑直径形成的双曲线型轨迹;
c) 用腰斑大小的双曲线型函数对 b)中测得的数据点进行拟合,记录光斑最小时的腰斑半径 ω0 ,并拟合出远场发散角 ;分别记录 x 和 y 方向的腰斑半径和远场发散角;
d) 依据以上测试参数,将测得的光斑 x 和 y 方向的 ω0 和 Theta 代入公式(10),计算压缩光的 M2 因子。
7.5 纯度测试
纯度测试框图如图7所示。具体测试步骤如下。
a) 量子压缩光源输出的压缩光作为信号光与本底光在50:50分束器上干涉耦合,调节分束器角度,用光功率计监测两束光的功率,直至两者相等,功率均分后的两束光分别入射至 BHD 的两个探测器。
b) 通过探测器1和探测器2前的反射镜1和反射镜2,细调探测器前光束的指向。将两个探测器输出的直流信号分别接入示波器的通道1和通道2,仔细观察直至两束光产生的直流信号相等,即表明两个探测器接收到的光功率相等且达到最大,可判断光斑完全落在光敏面上;当光斑大小大于探测器光敏面时,需要在探测器1和探测器2前分别放置合适的透镜1和透镜2,聚焦光斑,使其焦点落在探测器光敏面中心,并满足上述直流信号相等的条件。
c) 将两个探测器输出的交流信号接入减法器的两个输入端,相减后的信号输入频谱分析仪,记录差分交流信号。
d) 将两束光之间的相对相位锁定为0,由频谱分析仪记录压缩光的正交压缩分量V s ;将两束光之间的相对相位锁定为π/2,记录压缩光的正交反压缩分量V 。
e) 通过计算 OPO 输出压缩光后,光路中各元器件(包括反射镜、50:50分束器、透镜、BHD 等)的插入损耗、反射损耗、吸收损耗、模式失配损耗及 BHD 探测效率损耗之和,可评估出压缩光在探测系统传输过程中的综合损耗 l,计算得到传输效率 η=1-l 。
f) 依据以上测试参数,将测得的 η, Vs 和 Va 代入公式(11),计算得到压缩光的纯度
8 测试报告
测试报告应至少包含以下内容:
a) 被测试对象;
b) 测试报告的唯一编号;
c) 测试用仪器和设备的型号和工作条件;
d) 测试内容及要求;
e) 测试结果以及必要的结果说明;
f) 测试日期;
g) 测试人员及审核人员签名;
h) 测试单位名称及地址。
测试报告参见附录 B。
附录 A (资料性)
相敏非线性过程常用方法
A.1 基于非线性晶体的光学参量振荡器
将一束频率为ω 的强泵浦光注入置于光学谐振腔内的具有二阶非线性光学效应的晶体中(如周期 ωp
极化磷酸钛氧钾等)。在满足相位匹配条件下,泵浦光通过自发参量下转换过程产生频率为 ωs 的信号光和频率为 ω 的闲置光。谐振腔使信号光和闲置光多次往返并持续放大,显著增强非线性相互作用效率。通过调控泵浦光功率、晶体温度及谐振腔长度,使 OPO 工作在阈值以下区域。此时泵浦光的量子噪声通过参量相互作用被重新分配,当精确控制泵浦光与腔内光场的相位关系时,能够使特定正交分量的量子涨落低于标准量子极限,产生压缩态光场。
A.2 四波混频
将两束频率不同的强泵浦光(频率分别为 ωp 和 ωpprime 与一束频率为 ωs 的信号光同时注入具有三阶非线性光学效应的介质中(如某些特殊晶体或气体)。在满足相位匹配条件下,四束光相互作用发生四波混频,通过能量和动量的重新分配,产生一束频率为 ωi=ωp+ωpprime-ω 的闲置光。通过对输入光的强度、相位等参数进行调控,能够使产生的光场呈现压缩特性。当精确控制泵浦光与信号光之间的相位关系时,能够实现特定分量的量子涨落低于标准量子极限,产生压缩态光场。
A.3 光力法
将一束强激光(泵浦光)注入包含微纳机械振子(如纳米薄膜、微腔等)的光学系统中。泵浦光与微纳机械振子发生光-机械相互作用,光子的动量传递给机械振子,使其产生振动。同时,机械振子的振动又会对光场产生反作用,改变光场的特性。引入一束较弱的探测光与泵浦光共同作用于该系统,通过探测光与机械振子振动的耦合,调节光场与机械振子之间的相互作用强度和相位关系。当满足特定条件时,探测光的量子噪声在某些特定分量上得到抑制,从而产生压缩态光场。例如,通过优化光力系统的参数,能够实现正交振幅或正交相位的压缩。
A.4 克尔效应
将一束强激光(泵浦光)注入具有克尔非线性效应的介质(如某些光学晶体、有机材料或光纤)中由于克尔效应,介质的折射率会随泵浦光强度发生变化,即 n=n0+n2timesI (其中 n0 为线性折射率 n2
为非线性折射率系数,I 为光强)。当再注入一束较弱的信号光通过该介质时,泵浦光引起的折射率变化会对信号光的相位进行调制。在合适的泵浦光强度、信号光强度以及介质参数条件下,信号光的量子噪声在某些分量上被压缩。通过调整泵浦光与信号光的相对强度、相位以及介质的非线性特性,能够实现对光场不同分量的压缩,产生压缩态光场。
附录 B (资料性)
测试报告模板
测试报告模板见表 B.1。
| 序号 | 项目 | 内容 | |
| 1 | 测试对象 | ||
| 2 | 报告编号 | ||
| 3 | 待测器件型号 | ||
| 4 | 待测器件状态 | ||
| 5 | 测试内容及要求 | ||
| 6 | 测试仪器 | 光功率计型号 | |
| 频谱分析仪型号 | |||
| 光束质量分析仪型号 | |||
| 7 | 测试环境 | 温度 | |
| 相对湿度 | |||
| 洁净度 | |||
| 电源环境 | |||
| 8 | 测试参数 | 压缩频段 | |
| 探测频段 | |||
| 压缩度 | |||
| 压缩角稳定性 | |||
| 9 | 测试结果 | 波长 | |
| 频段 | |||
| 压缩度 | |||
| 输出功率 | |||
| 光束质量 | |||
| 纯度 | |||
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