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理学院光信息技术实验室金锐博博士在量子光学领域研究取得重要进展

2018年01月30日 11:46 理学院 点击:[]

本网讯(通讯员 金锐博)2018年1月24日,美国光学学会旗下顶级期刊Optica(2016影响因子7.7,SCI一区)在线发表了理学院“工大学者”特聘教授金锐博博士的最新研究成果《可应用于量子光谱分析的扩展的维纳-辛钦定理》(ExtendedWiener-Khinchin theorem for quantum spectral analysis)。该论文的第一作者为金锐博博士,第一单位为武汉工程大学,合作者为日本电气通信大学的Ryosuke Shimizu副教授。

图1:实验装置图

量子信息是20世纪末期新生的量子力学与信息科学的交叉学科,也是21世纪最重要的战略研究领域之一,它有望为信息科技的持续发展开辟新的原理和方法。量子信息技术目前已经成功地将量子力学基本原理应用至密码学、计算机科学和计量学,形成量子保密通信、量子计算和量子测量等新兴研究领域。如何利用量子力学的基本原理,实现超越经典测量能力的量子测量技术,是目前的研究热点。

维纳-辛钦定理是传统光学中一个常用的定理,它是目前已广泛应用的干涉光谱仪(又称为傅立叶变换光谱仪)的理论基础。干涉光谱仪通过对经典光学干涉(如麦克尔逊干涉、马赫曾德干涉等)条纹做傅立叶变换而获得光源的频谱分布。这种光谱仪只能测量经典光场(如激光)的光谱。近年来,随着科技的进步,几种新型的量子干涉(如HOM型干涉和NOON型干涉)技术已发展成熟。如何在量子干涉的基础上制备出量子干涉光谱仪,从而测量量子光场(如量子纠缠光)的光谱,有可能引发光谱分析领域的一场变革。为了研究这个问题,金锐博博士及合作者把维纳-辛钦定理从经典光学领域扩展到量子光学领域,在理论上给出了扩展后的维纳-辛钦定理定理的表达式,并且在实验上进行了验证。实验结果表明,纠缠光子对之间的合频信息可以通过对NOON型干涉条纹做傅立叶变换得到,而差频信息可以通过对HOM型干涉条纹做傅立叶变换得到。实验结果很好的验证了理论分析。

审稿人对该工作做了积极评价:“the extension ofthe well-established WKT to the case of a biphoton contains enough novelty towarrant publication in Optica. The experimental demonstration is thorough andcareful, and I can imagine many other groups adapting this technique and addingit to their repertoire of characterization techniques.”该工作为今后量子干涉光谱仪的开发奠定了理论和实验基础,也为今后在单光子量级弱光条件下研究光与物质的相互作用开辟一条新的路径。

文章链接:Rui-BoJin and Ryosuke Shimizu “Extended Wiener-Khinchin theorem for quantum spectralanalysis” Optica 5, 93–98 (2018) https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000093

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