山西大学在量子增强相位噪声滤波器研究中取得新进展

图1.量子增强激光噪声稳定原理。(a) 量子增强振幅噪声稳定;(b) 量子增强相位噪声稳定;(c) 边带表象中振幅分量噪声评估

近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、光电研究所在量子精密测量领域取得重要进展，首次实验实现了“量子增强激光相位噪声滤波器”。相关研究成果以“Quantum-enhanced laser phase noise filter”为题发表于Optica。该论文第一作者为光电研究所博士生李瑞鑫，通讯作者为王雅君教授和郑耀辉教授。博士生焦南婧、安炳南以及李卫副教授、史少平副教授、田龙教授共同参与了此项研究。

激光噪声广泛存在于各类光学系统中，是限制测量分辨率与最小可探测信号的关键因素。尽管传统主动反馈技术已成功应用于各种精密测量应用场景，但其性能始终受限于经典散粒噪声极限。早在上世纪80年代，科学家便提出利用压缩真空态光场突破经典散粒噪声极限的构想，并于三十多年后成功突破了量子增强振幅噪声的非经典稳定关键技术。然而，由于激光相位噪声无法直接读取，必须依赖复杂干涉结构进行转换，这一过程会引入大量技术噪声，且主流的外差方案还存在量子噪声惩戒等问题，使得量子增强相位稳定研究长期成为国际难题。

面对这一挑战，研究团队提出了一种全新的非经典相位稳定技术。基于噪声椭圆旋转机制，该方案成功规避了传统相位噪声读出方法中的量子噪声惩戒问题;同时借助混合预稳定策略，将振幅与相位正交分量的技术噪声同时抑制到主动反馈控制内环探测光束的散粒噪声极限以下，大幅削弱了技术噪声对反馈信号提取的污染。在此基础上，通过在内环环路中注入高品质压缩真空态光场，实现了量子增强的闭环反馈控制。对反馈控制外环光束(应用光场)进行相位噪声分析可知，在5–60 kHz频率范围内实现了高达5 dB的相位噪声量子增强抑制效果。与此同时，构建的完整理论模型对实验结果进行了精确预测，为未来量子滤波器性能的进一步提升提供了清晰的技术路线。该成果在下一代引力波探测、超稳激光系统、量子传感及精密计量等领域展现出重要的应用前景。

图2.量子增强激光相位噪声稳定实验结果。

该研究得到国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金联合基金集成项目、国家自然科学基金面上和国家重点研发计划项目的支持。

审核编辑 黄宇