电院曾贵华团队在基于谐振腔增强的量子传感技术研究上取得重要进展

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院曾贵华教授团队与周林杰教授课题组合作，研究并实验演示了一种基于谐振腔增强的量子参数估计策略，在不使用量子纠缠或量子压缩等资源情况下仍可突破标准量子极限。研究成果以“Surpassing the quantum limit in bosonic loss estimation without quantum probes”（无需量子探针即可突破玻色子损耗估计的量子极限）为题，于2024年8月发表在物理学顶刊《物理学快评》（Physical Review Letters）。

研究背景

光学能量耗散是物理学中最重要的现象之一，本质上可以通过玻色子损耗通道来建模。如何估计玻色子损耗通道的透射率不仅在基础研究方面广受关注，对实际应用（例如气体传感、分子光谱学和光学介质表征）也有重要意义。传统观点认为，使用固定输入能量的相干态探针的精度受到标准量子极限的限制，必须借助量子探针来突破。然而，福克态以及其他量子探针难以生成，且对噪声敏感，使得实践中难以达到预期精度。此外，与经典光源相比，量子光源的集成仍然具有挑战性。

针对上述挑战，研究团队另辟蹊径，研究基于谐振腔增强策略的量子参数估计理论并提出技术实现方案，在仅使用相干态光源情况下，实验实现了精度优于标准量子极限的玻色子损耗估计。该技术方案对温度涨落等具有鲁棒性，对不同类型谐振腔和介质具有通用性，为未来研制便携式量子传感器奠定了基础。

创新成果

谐振腔增强策略与其他两种玻色子损耗估计策略的逻辑图如图1所示。有损通道让输入的玻色子探针中占比为a2（≤1，a为振幅衰减系数）的光子穿过，而损耗掉剩余光子。对于单通策略，探针只与损耗通道相互作用一次；在多通策略中，探针依次与损耗通道相互作用N次，这使得估计的精度提高了N倍。显然，为了保证性能，必须以相同的方式构造损耗通道的多个副本。与上述两种传统策略相比，谐振腔策略所提供的精度要高于无损耗通道副本的单通策略。在该策略中，通过调节工作在谐振条件下的谐振腔，使得相干态探针与同一损耗通道反复进行相互作用，从而显著提高精度。在临界耦合下，它甚至可以超过使用量子探针的单通策略。

图1 使用不同策略的量子损耗估计示意图

根据理论结果，研究团队提出了实验演示方案，如图2所示。主要包括以下几部分：单频激光器、多功能偏振控制器（MPC）、片上对称跑道型（on-chip symmetrical racetrack-type）环形谐振腔、零差探测器（homodyne detector）和示波器。实验通过单频激光器产生相干态光束，经过光纤耦合进入多功能偏振控制器，然后被引导至对称跑道型环形谐振腔，环内的振幅衰减系数a通过调整输入偏振态来控制。根据理论，谐振腔的耦合系数被设计在最优工作点（即环形谐振腔与两侧直波导的耦合系数相同），以确保光源在环形谐振器内的循环传播达到最佳状态。最后，使用探测器测量环的输出，并通过示波器记录数据。

图2 实验装置

通过改变谐振器内的模式分布，研究了不同光学模式下的损耗响应。实验结果如图3所示，实验数据与理论预期一致，表明在相干态光源和环形谐振腔相结合的情况下，损耗估计的精度得到了显著提升，即使存在显著的电学噪声且未完全达到最佳工作点，测量精度依然超越标准量子极限。尤其是在最佳工作点附近，信噪比大幅提高，进一步验证了技术方案的有效性。为了进一步验证实验方案的鲁棒性，还在不同温度涨落和外界扰动下进行了多组重复实验，实验结果均表现出了良好的稳定性。

图3 实验结果

总结展望

该工作提出并实验演示了一种基于谐振腔增强的量子参数估计技术新方案，无需依赖复杂的量子光源，且抗扰动能力强，适合集成化，预期在气体传感等应用领域有重要潜在价值。

近年来，曾贵华教授团队围绕实用化量子传感技术开展深入研究，基于弱测量、量子维度拓展、量子人工智能、谐振腔增强等新方法和新机制，原创性提出了并实现了多种量子传感技术新方案，在显著提升精度的同时兼具可靠性和稳定性，相关工作已在Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters等国际一流学术期刊上发表论文40余篇，并研制了量子传感器原型机10余台/套，其中包括精度达到10^-5(^o/h)量级的光量子陀螺仪、灵敏度达到微帕量级的光量子声传感器、成像距离达百公里量级的单像素量子雷达等，技术指标均达到国际领先水平。

论文信息

本文第一作者为上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院博士生陶宇，黄靖正副研究员、王涛副教授、周林杰教授、曾贵华教授为本文共同通讯作者。其他作者包括博士生李昕航、博士生李琅和李洪婧副研究员，均为本文工作做出了重要贡献。研究工作得到国家自然科学基金（项目编号：62071298, 62101320, 62135010）、科技创新2030 “量子通信与量子计算机”重大项目（课题编号：2021ZD0300703）、上海市重大专项（项目编号：2019SHZDZX01）资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.060801

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来源｜感知科学与工程学院

图文｜黄靖正

编辑｜万凤箫

责任编辑 | 王敏