一種基于量子弱測量的極小相位測量系統以及方法與流程
本發明涉及高精密測量裝置技術領域，更具體的說，涉及一種基于量子弱測量的極小相位測量系統以及方法。
背景技術：
高精密測量是現代科學技術發展的重要基石，在科學研究，工業生產，國防軍事領域發揮著極其重要的作用。目前利用光的干涉可以實現很高的極小相位測量精度，因而一般可將待測物理量轉化為相位的測量。
為實現極小極小相位信號的測量，一般有兩種方案：一是使用高分辨率的干涉儀；二是對極小極小相位信號進行放大，例如在邁克爾遜干涉儀兩臂采用法布里-珀羅腔。當待測極小相位信號極其微弱時，放大是必要的，因為受限于技術程度，干涉儀的精度是有限的，低于干涉儀分辨極限的極小相位信號無法測量出來。
1988年，yakiraharonov,davidz.albert和levvaidman首次提出了量子弱測量的概念并且展示了利用其進行小信號放大的可能性，即現在學術界所稱的弱值放大測量(phys.rev.lett.60,1351(1988))。
盡管弱值放大測量已經能夠實現對很多物理量的測量，其對于一般極小相位信號依然束手無策。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供了一種基于量子弱測量的極小相位測量系統以及方法，可以實現極小相位信號的測量。
為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種基于量子弱測量的極小相位測量系統，所述極小相位測量系統包括：
信號發生裝置，所述信號發生裝置用于生成二能級量子客體的初始態；所述初始態包括指針態以及系統態；
極小相位信號映射裝置，所述極小相位信號映射裝置用于基于所述初始態，將極小相位信號映射到量子客體的指針態上；
信號處理裝置，所述信號處理裝置用于對量子客體的系統態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大；
提取裝置，所述提取裝置用于對量子客體的指針態在預設的測量基下提取放大后的所述極小相位信號；
計算裝置，基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述二能級量子客體為光子；所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述信號發生裝置包括：激光源裝置以及第一分束器；
所述激光源裝置用于產生穩定的線偏振光，通過所述第一分束器進行光子初始態的制備；所述第一分束器用于將所述線偏振光分為第一光路以及第二光路。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述極小相位信號映射裝置為偏振型邁克爾遜干涉儀；所述邁克爾遜干涉儀具有入光口以及出光口；
其中，所述第一光路中的光信息入射所述邁克爾遜干涉儀的入光口，經過其出光口出射；所述邁克爾遜干涉儀用于收集所述第一光路中光信息的極小相位信號。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述信號處理裝置包括：第二分束器；
其中，所述第二分束器用于將所述第二光路中的光信息以及所述邁克爾遜干涉儀出射的光信息進行合并，以對光子路徑態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述提取裝置為偏振分析儀；所述偏振分析儀具有一個入光口以及兩個出光口；
所述第二分束器出射的合并后的光信息入射所述偏振分析儀的入光口，經過所述偏振分析儀分為兩路，分別由所述偏振分析儀的兩個出光口出射。
優選的，在上述極小相位測量系統中，所述計算裝置為計算機，所述計算機通過第一探測器以及所述第二探測器分別獲取所述偏振分析儀的兩個出光口出射的光信息，以獲取放大后的所述極小相位信號，進而基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。
本發明還提供了一種基于量子弱測量的極小相位測量方法，用于上述任一項所述的極小相位測量系統，所述極小相位測量方法包括：
生成二能級量子客體的初始態；所述初始態包括指針態以及系統態；
基于所述初始態，將極小相位信號映射到量子客體的指針態上；
對量子客體的系統態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大；
對量子客體的指針態在預設的測量基下提取放大后的所述極小相位信號；
基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。
優選的，在上述極小相位測量方法中，所述二能級量子客體為具有內部自由度的量子客體。
優選的，在上述極小相位測量方法中，所述極小相位測量方法用于可轉化為極小相位測量的物理量的測量。
通過上述描述可知，本發明技術方案提供的基于量子弱測量的極小相位測量系統以及方法中，通過對系統態進行合適的后選擇，以實現對極小相位信號的放大，當獲取放大后的極小相位信號后，可以根據放大公式反推出極小相位信號。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的一種基于量子弱測量的極小相位測量系統；
圖2為圖1所示極小相位測量系統中信號發生裝置的結構示意圖；
圖3為圖1所示極小相位測量系統中極小相位信號映射裝置的結構示意圖；
圖4為圖1所示極小相位測量系統中信號處理裝置的結構示意圖；
圖5為圖1所示極小相位測量系統中提取裝置的結構示意圖；
圖6為本發明實施例提供的一種極小相位測量方法的流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
參考圖1-圖5，圖1為本發明實施例提供的一種基于量子弱測量的極小相位測量系統，圖2為圖1所示極小相位測量系統中信號發生裝置的結構示意圖，圖3為圖1所示極小相位測量系統中極小相位信號映射裝置的結構示意圖，圖4為圖1所示極小相位測量系統中信號處理裝置的結構示意圖，圖5為圖1所示極小相位測量系統中提取裝置的結構示意圖。
如圖1-圖5所示，本發明實施例所述極小相位測量系統包括：信號發生裝置11，所述信號發生裝置11用于生成二能級量子客體的初始態；所述初始態包括指針態以及系統態；極小相位信號映射裝置12，所述極小相位信號映射裝置12用于基于所述初始態，將極小相位信號映射到量子客體的指針態上；信號處理裝置13，所述信號處理裝置13用于對量子客體的系統態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大；提取裝置14，所述提取裝置14用于對量子客體的指針態在預設的測量基下提取放大后的所述極小相位信號；計算裝置15，所述計算裝置15用于基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。
本發明實施例所述極小相位測量系統中，所述二能級量子客體可以為具有內部自由度的量子客體，包括光子、原子以及中子等量子客體。下面以所述二能級量子客體為光子進行說明。
當所述二能級量子客體為光子時，所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統。
當所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統時，所述信號發生裝置11包括：激光源裝置111以及第一分束器112；所述激光源裝置111用于產生穩定的線偏振光，通過所述第一分束器112進行光子初始態的制備；所述第一分束器112用于將所述線偏振光分為第一光路以及第二光路。
為了降低光學系統的占據空間，縮小所述極小相位測量系統的體積，如圖2所示，所述信號發生裝置11還包括第一反射鏡113。所述第一光路中的光信息經過所述第一分束器112出射后，直接入射所述極小相位信號映射裝置12。
當所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統時，所述極小相位信號映射裝置12為偏振型邁克爾遜干涉儀；所述邁克爾遜干涉儀具有入光口以及出光口。其中，所述第一光路中的光信息入射所述邁克爾遜干涉儀的入光口，經過其出光口出射；所述邁克爾遜干涉儀用于收集所述第一光路中光信息的極小相位信號。
具體的，所述邁克爾遜干涉儀包括：偏振分束器121、第一四分之一波片122、第二四分之一波片123、第二反射鏡125以及第三反射鏡124。第一光路中的光信息經過所述邁克爾遜干涉儀的入光口入射所述邁克爾遜干涉儀。第一光路中的光信息入射偏振分束器121后分為二路光信息。
一路光信息經過偏振分束器121反射后，透過第一四分之一波片122，再經過第二反射鏡125反射，原路返回所述偏振分束器121。另一路光信息透過偏振分束器121后，透過第二四分之一波片123，再經過第三反射鏡124反射，原路返回所述偏振分束器121。
設置所述邁克爾遜干涉儀中兩個四分之一波片的偏振角度均為45°，使得一路光信息中兩次通過對應四分之一波片的光信息偏振翻轉，即使得水平偏轉光變為垂直偏振光，垂直偏振光變為水平偏振光，從而避免該兩個四分之一波片各自光路中的光信息原路返回，使得該兩個四分之一波片各自光路中的光信息均，從所述邁克爾遜干涉儀的出光口一同出射。
當所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統時，所述信號處理裝置13包括：第二分束器131。其中，所述第二分束器131用于將所述第二光路中的光信息以及所述邁克爾遜干涉儀出射的光信息進行合并，以對光子路徑態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大。
所述第二光路中的光信息經過所述第一分束器112出射后，經過所述第一反射鏡113反射后進入所述第二分束器131的一個入光口。所述邁克爾遜干涉儀出射的光信息直接進入所述第二分束器131的另一個入光口。通過所述第一反射鏡113降低光學系統的占據空間，縮小其體積。所述第二分束器131的兩個入光口入射的光信息經過所述第二分束器131合并后，通過所述第二分束器131的出光口出射，并入射所述提取裝置14。
當所述極小相位測量系統為光學極小相位測量系統時，所述提取裝置14為偏振分析儀。所述偏振分析儀具有一個入光口以及兩個出光口。所述第二分束器131出射的合并后的光信息入射所述偏振分析儀的入光口，經過所述偏振分析儀分為兩路，分別由所述偏振分析儀的兩個出光口出射。
具體的，所述提取裝置14包括：第三四分之一波片141、二分之一波片142以及偏振分束器143。入射所述提取裝置14的合并后的光信息依次經過所述第三四分之一波片141和所述二分之一波片142后，入射所述偏振分束器143，在所述偏振分束器143中分為兩路分別出射。
所述計算裝置15為計算機，所述計算機15通過第一探測器151以及所述第二探測器152分別獲取所述偏振分析儀的兩個出光口出射的光信息，以獲取放大后的所述極小相位信號，進而基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。圖1中未示出所述計算機。
通過上述描述可知，在本發明實施例所述極小相位測量系統中，經過進一步放大極小相位信號從而可以實現對于低于干涉儀器本身分辨率的極小相位信號的測量，測量精度高。所述極小相位測量系統可利用現有干涉儀組合實現，結構簡單，可操作性強。此外，由于許多重要的物理量測量可以轉化為對小相位信號的測量，所述極小相位測量系統可廣泛應用于科學研究，工業生產，國防軍事，適用范圍廣。
基于上述極小相位測量系統，本發明另一實施例還提供了一種基于量子弱測量的極小相位測量方法，所述極小相位測量方法如圖6所示，圖6為本發明實施例提供的一種極小相位測量方法的流程示意圖，所述極小相位測量方法包括：
步驟s11：生成二能級量子客體的初始態；所述初始態包括指針態以及系統態。
設定二能級量子客體的初始態|ψj>sp，有
其中，s為系統態，當量子客體為光子時，系統態為路徑態；p為指針態，當量子客體為光子時，指針態為偏振態。
另，a，b，c以及d為滿足歸一化條件的常數，有：
|a|2+|b|2＝1(2)
|c|2+|d|2＝1(3)
其中，|0>以及|1>表示量子客體的兩個不同路徑態，|↑>以及|↓>表示量子客體的兩個不同內部自由度態，有兩個不同能級態或自旋態。在量子客體為光子情形下，可以采用激光源裝置產生穩定的處于線偏振態的光信息，并使用分束器等光學元件實現光子的初始態制備。
步驟s12：基于所述初始態，將極小相位信號映射到量子客體的指針態上。
為了實現極小相位信號的測量，需要將相位信號映射到量子客體的指針態。這可以通過幺正操作
其中，θ表示待測的極小相位信號，i為虛數單位；i為單位矩陣。
量子客體的初始態在上述幺正操作后變為|ψf>sp，有：
在量子客體為光子的情形下，幺正操作
步驟s13：對量子客體的系統態進行后選擇，實現對極小相位信號的放大。
為了實現極小相位信號的測量，需要對量子客體的系統態進行后選擇。假定后選擇態|ψ>s表示如下：
|ψ>s＝m|0>+n|1〉(6)
則后選擇后量子客體的未歸一化指針態|φ>p變為:
|φ>p＝s<ψ||ψf>sp＝c·(am+cn)|↑>+d·(am+cneiθ|↓>)(7)
其中，m和n為已知常數，由于θ＜＜1，在一階近似下，有：
am+cneie|↓>＝|am+cn|eiγ(8)
其中，γ為放大后的所述極小相位信號，且有如下放大公式：
tanγ＝sinθ/(cosθ+am/cn)(9)
所以量子客體的指針態|φ〉p變為：
|φ>p＝c·(am+cn|↑>+d·|am+cn|eiγ|↓>)(10)
經過預設的后選擇態使得：
am+cn→0(11)
即可以實現得到放大后的相位γ。
在量子客體為光子的情形下，后選擇可通過將分開的兩路光信息在另一個分束器處干涉并只留取暗端口出來的光子實現。
步驟s14：對量子客體的指針態在預設的測量基下提取放大后的所述極小相位信號。
對量子客體的指針態在合適的測量基下測量提取放大后的相位信號γ。在量子客體為光子的情形下，可令后選擇后的光子通過一個由二分之一波片，四分之一波片和偏振分束器構成的偏振分析儀來提取放大后的相位γ。
步驟s15：基于放大后的所述極小相位信號計算所述極小相位信號。
計算機可以通過探測器采集光信息，獲取放大后的相位γ，并根據上述放大公式(9)反推出極小相位信號θ。
由上述描述可知，所述極小相位測量方法利用現有成熟的干涉技術手段即可實現基于量子弱測量放大的極小相位測量。相較于傳統的干涉法測相位，所述極小相位測量方法能夠實現對待測極小相位的放大從而可以測量低于干涉儀分辨率的相位信號，具有測量精度高，結構簡單，易于實現，并能廣泛應用于需要高精度測量的科研，工業生產和國防軍事等領域。
本發明實施例所述極小相位測量方法中，所述二能級量子客體為具有內部自由度的量子客體，包括但不局限于光子、原子以及中子等量子客體。所述極小相位測量方法用于可轉化為極小相位測量的物理量的測量，所述物理量包括但不局限于位移、速度、溫度、原子極化以及二向色性等。極小相位信號的收集可以是偏振相關的也可以是偏振無關的，只要將極小相位信號反映在線偏振態的相對相位中即可。
下面在量子客體為光子的情形下對本發明實施例所述極小相位測量方法進行進一步的說明。
此時，所述極小相位測量方法具體用于如圖1-圖5所示的光學極小相位測量系統，激光裝置111產生穩定處于線偏振態表示如下：
其中，|h〉和|v〉分別表示光子的兩個不同內部自由度態，|h〉＝|↑>表示水平偏振態，|v>＝|↓>表示豎直偏振態，在
此時，|0>以及|1>表示光信息經過第一分束器112后沿著兩個不同方向的路徑態。
如圖1所示，通過第一分束器112后的第一光路中的光信息經過一個偏振型邁克爾遜干涉儀實現對極小相位信號的收集；偏振型邁克爾遜干涉儀由一個偏振分束器121，兩個四分之一波片(第一四分之一波片122和第二四分之一波片123)和兩個全反鏡(第二反射鏡125以及第三反射鏡124)組成，其中四分之一波片的偏振角度均為45°，從而使得兩次通過其的光的偏振反轉，即水平偏振光變為垂直偏振光，垂直偏振光變為水平偏振光從而使得光不會沿著原路返回而是從偏振分束器的另一端口出射。
這樣，根據偏振型邁克爾遜干涉儀本身特性，從偏振型邁克爾遜干涉儀出射的光的偏振態變為:
其中，θ即為待測的極小相位。
同上述，為實現極小相位信號的放大，需要對光子路徑態進行后選擇，這可以通過第二分束器131實現。
進入第二分束器131前光子的量子態，基于公式(5)，為：
假定第二分束器131的反射和透射系數分別為c和d，則從第二分束器131的出光口(暗端口)出來的光的路徑態，基于公式(6)，為：
|ψ>＝c|0>+d|1〉(15)
則從第二分束器131的出光口出射后光子的偏振態在一階近似下，基于公式(7)，(8)，(9)和公式(10)，變為：
其中，基于公式(9)，有如下放大公式：
tanγ＝sinθ/(cosθ+ac/bd)(17)
通過合適的選取后選擇態，即可實現γ＞θ從而完成極小相位的放大。
進一步的，經過第二分束器131后選擇后的光子依次進入一個由四分之一波片141、二分之一波片142和偏振分束器143組成的偏振分析儀來實現對放大后的相位γ的測量。
可以考慮選擇預設定已知測量基{|r>,|l>}，設定：
因此偏振分束器143兩出光口的光強之差為：
△i＝i×(|<r|φ>|2-|<l|φ〉|2)sinγ＝i×sinγ(20)
其中，i為經過第二分數器131后選擇后的光強，光強之差δi給出放大后的相位γ，再據此根據放大公式(17)反推出小于0.1弧度的極小相位θ。
本發明實施例所述極小相位測量方法中，基于量子弱測量后選擇過程放大極小相位進而實現對其的測量。本發明實施例通過進一步放大小相位信號從而可以實現對于低于干涉儀器本身分辨率的小相位信號的測量，測量精度高；基于量子弱測量放大的極小相位測量可利用現有干涉儀組合實現，結構簡單，可操作性強；此外，由于許多重要的物理量測量可以轉化為對小相位信號的測量，本發明實施例可廣泛應用于科學研究，工業生產，國防軍事，適用范圍廣。如本發明實施例所述技術方案可以用于引力波探測、極弱磁場探測、光學成像、蛋白結構分析以及產品質量檢測等領域。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
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