利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统及方法

本发明涉及精密测量，特别是涉及一种利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统及方法。

背景技术：

1、精密测量问题一直以来都是自然科学的研究重点之一。不论是为了发现崭新的自然规律，亦或是为了解决生产生活中更高精度的需求，更精密的测量方法总是作为人们最可靠、最有效的工具之一。由于许多实际待测物理信号可以借助一些方法转化为光场或电场的相位信息，因此相位估计问题是精密测量问题中的重要代表。例如在生物医学成像、卫星传感以及引力波探测等诸多领域中，高精度的相位估计都发挥着关键作用。

2、影响测量精度的因素主要分为两类：一类是由于实验器材不理想、实验环境扰动等因素引起的偶然性误差；另一类则是由数学统计方法以及海森堡不确定性原理约束的本质误差。在经典测量问题中，受到数学上中心极限定理的约束，最佳的测量精度极限只能达到n-1/2量级，其中n为采样次数。这一经典测量极限通常也被称为标准量子极限(standardquantum limit，sql)。近年来，量子度量学领域的许多研究表明，利用量子纠缠或者关联关系作为资源，可以将测量精度提高到n-1量级，称之为海森堡极限(heisenberg limit，hl)。然而，多粒子纠缠态的大量制备存在不小的困难，量子纠缠态极易受环境扰动发生退相干现象，且量子实验器件成本较高，采样效率相对较低。这些诸多困难使得量子精密测量技术暂未得到广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统及方法，能够在经典光场中将测量精度提升到海森堡极限，并提高采样效率和对环境噪声的抗干扰能力，降低器件成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统，包括n套单束光相位测量装置；n为大于1的整数；所述单束光相位测量装置包括：激光器、光束位移器、挡光板、半波片、偏振分束器、样品、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜、第五平面镜、第六平面镜、第七平面镜、第一消偏振分束器、第二消偏振分束器、第三消偏振分束器、第四消偏振分束器、第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器以及第四光探测器；

4、所述单束光相位测量装置中，所述光束位移器位于所述激光器的出射光路上；从所述激光器出射的激光光束经由光束位移器产生水平偏振和竖直偏振两束线偏振光；所述挡光板位于两束线偏振光中其中一束线偏振光的出射光路上；所述半波片位于两束线偏振光中另一束线偏振光的出射光路上，用于改变另一束线偏振光的偏振态，得到45°线偏振光；所述第一平面镜位于45°线偏振光的出射光路上；所述偏振分束器位于所述第一平面镜的反射光路上；所述第二平面镜位于所述偏振分束器的透射光路上；所述第一消偏振分束器位于所述第二平面镜的反射光路上；所述第三平面镜位于所述第一消偏振分束器的透射光路上；所述第二消偏振分束器位于所述第三平面镜的反射光路上；所述第四平面镜位于所述第一消偏振分束器的反射光路上；所述第二消偏振分束器位于所述第四平面镜的反射光路上；经由所述第二消偏振分束器输出的两束混合光分别由第一光探测器和第二光探测器接收；

5、所述第五平面镜位于所述偏振分束器的反射光路上；所述第三消偏振分束器位于所述第五平面镜的反射光路上；所述样品和所述第六平面镜依次位于所述第三消偏振分束器的透射光路上；所述第四消偏振分束器位于所述第六平面镜的反射光路上；所述第七平面镜位于所述第三消偏振分束器的反射光路上；所述第四消偏振分束器位于所述第七平面镜的反射光路上；经由所述第四消偏振分束器输出的两束混合光分别由第三光探测器和第四光探测器接收。

6、一种利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量方法，所述相位测量方法基于权利要求1所述的相位测量系统；所述相位测量方法包括：

7、对于n套单束光相位测量装置中的第n套单束光相位测量装置，利用偏振分束器对45°线偏振光进行分束，分束后的水平偏振分量对应路径记为fh，竖直偏振分量对应路径记为fv；

8、利用第一光探测器和第二光探测器接收fh路径输出的两路光强信号和利用第三光探测器和第四光探测器接收fv路径输出的两路光强信号和

9、根据光强信号和计算fh路径相对光强差的值等于fh路径电场的自相关函数的实部根据光强信号和计算fv路径相对光强差的值等于fv路径电场的自相关函数的实部其中，上角标*表示取复共轭操作；表示第n套单束光相位测量装置fh路径与样品相互作用前的电场强度；表示第n套单束光相位测量装置fh路径与样品相互作用后的电场强度；表示第n套单束光相位测量装置fv路径与样品相互作用前的电场强度；表示第n套单束光相位测量装置fv路径与样品相互作用后的电场强度；

10、利用第一消偏振分束器对fh路径光束进行分束，在分束后的fh路径参考光路中插入延迟相位为π/2的第一相位片，利用第一光探测器和第二光探测器接收此时fh路径输出的两路光强信号和

11、利用第三消偏振分束器对fv路径光束进行分束，在分束后的fv路径参考光路中插入延迟相位为π/2的第二相位片，利用第三光探测器和第四光探测器接收此时fv路径输出的两路光强信号和

12、根据插入第一相位片时的光强信号和计算fh路径相对光强差的值等于fh路径电场的自相关函数的虚部根据插入第二相位片时的光强信号和计算fv路径相对光强差的值等于fv路径电场的自相关函数的虚部

13、将fh路径相对光强差与相加，计算得到fh路径电场的自相关函数的复数取值将fv路径相对光强差与相加，计算得到fv路径电场的自相关函数的复数取值其中i表示虚数单位；

14、根据fh路径电场的自相关函数的复数取值和fv路径电场的自相关函数的复数取值计算关联函数；

15、根据关联函数计算样品引入的相位值。

16、可选地，所述fh路径和所述fv路径满足关系∫fhfvdr＝0和其中r表示空间坐标。

17、可选地，所述根据光强信号和计算fh路径相对光强差具体包括：

18、采用公式计算fh路径相对光强差

19、可选地，所述根据光强信号和计算fv路径相对光强差具体包括：

20、采用公式计算fv路径相对光强差

21、可选地，所述根据插入第一相位片时的光强信号和计算fh路径相对光强差具体包括：

22、采用公式计算fh路径相对光强差

23、可选地，所述根据插入第二相位片时的光强信号和计算fv路径相对光强差具体包括：

24、采用公式计算fv路径电场相对光强差

25、可选地，所述根据fh路径电场的自相关函数的复数取值和fv路径电场的自相关函数的复数取值计算关联函数，具体包括：

26、采用公式计算关联函数p±。

27、可选地，所述根据关联函数计算样品引入的相位值，具体包括：

28、根据关联函数p±，采用公式计算出样品引入的相位值θ。

29、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

30、本发明提供了一种利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统及方法，在量子精密测量方案的启发下，利用了经典统计光场的关联关系，将相位测量精度由经典测量极限突破至海森堡极限，并有效提高了采样效率和对环境噪声的抗干扰能力，降低了器件成本。与量子精密测量方案相比，本发明利用经典光实现海森堡极限精度的相位测量系统易于扩展且稳定性好，具有更广泛的应用前景。