“亚音频段非经典光源研制”项目成果简介
一、核心内容
量子技术是利用量子力学基本原理去执行量子计量、量子传感和量子通信等的统称。以激光干涉引力波探测器为代表的精密测量技术是最前沿的研究领域之一。在退耦合所有的环境噪声和热噪声以后，测量装置的灵敏度将最终被光场的量子噪声限制。
为了推动基于非经典光源的量子精密测量技术向前发展，本项目完成了如图1所示的多项核心关键功能器件的设计研发，结合优化的相干控制技术分析噪声来源，利用高精度反馈控制方案抑制噪声起伏，构建了如图2所示的小型化高性能压缩/纠缠光源系统，关键指标达到国际先进水平。
图1 核心关键功能器件实物图
图2 非经典光源集成装置实物图
二、成果速递
项目团队围绕仪器项目的总体研究目标，分别开展了低噪声光电功能器件研发、低噪声激光光源制备、非经典光源关键技术、量子光源在精密测量领域和量子信息技术领域拓展应用等五个方面的研究工作，取得了系列研究成果和重要进展。
I. 核心光电功能器件设计与研制
[1]. 谐振型电光相位调制及光电探测功能器件的研发及应用：标准PDH稳频锁定技术需要利用电光相位调制器进行激光相位调制，利用光电探测将携带的微弱调制信号及谱峰信号等信息进行光电转化为电信号，后续再经过比例积分微分等电路进行反馈控制。传统商用宽带电光调制器将驱动电压直接加载在电光晶体两端进行相位或振幅调制，这需要较高驱动电压且调制深度较低。在PDH技术中只需要探测特定相位调制频率的信号，而传统商用探测器都具有一定带宽，受集成芯片增益带宽积的影响，高增益往往带来电子学噪声的抬高，恶化误差信号噪底。针对PDH锁定反馈回路中高调制深度、低功耗、低半波电压电光相位调制及极微弱光电信号探测需求，实验上基于单端楔角铌酸锂晶体、低噪声光电二极管及低损高Q电子元件组成谐振电路，利用谐振增强原理实现低功耗、高调制深度电光调制及高增益光电探测。研制的谐振型电光相位调制器在最佳调制频点为10.00 MHz时，带宽为225 kHz，Q值为44.4，调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为8 V；在最佳调制频点为20.00 MHz时，带宽为460 kHz，Q值为43.5，调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为13 V。如下图所示，将自研的谐振型光电探测最佳探测频点调节为20.00 MHz，带宽为1 MHz，Q值为20，增益为80 dB@100 µW；利用上述自研器件组成极微弱信号提取链路，用500 mV峰值电压驱动电光相位调制器(调制深度约为0.055)，可实现直接输出误差信号信噪比为5.088@10 µW，34.933@50 µW以及58.7@100 µW。极微弱信号提取链路经过比例积分微分参数优化可提升整个反馈控制环路性能及稳定性，该成果发表在Acta. Phys. Sin. 72 (14),148502 (2023).
图1 谐振型电光调制器和锁腔探测器性能测试
图2 反馈环路误差信号信噪比对比测试
II. 低噪声激光光源研制技术
[1]. 极低频段激光器相对强度噪声抑制：针对0.1 mHz—1 Hz 频段对激光相对强度噪声和差分相位噪声的综合性能要求，构建适用于星载引力波探测的超低强度噪声光纤放大激光系统。首先基于光电反馈理论建立功率稳定噪声分解模型，定量给出电压基准源、光电探测器、控制器及执行器等核心器件对环路残余噪声的贡献与性能指标，为系统设计提供约束；在此基础上，采用微型 NPRO 作为 1064 nm 单频种子光源，构建 MOPA 结构的镱离子掺杂双包层光纤放大链路，设计低噪声泵浦驱动源与高稳定温控铜热沉，并在有源稳定单元中集成自研低噪声电压基准与光电探测器，实现对泵浦电流的高增益闭环控制和对光学链路温度、机械扰动的有效抑制。实验上，对自由运转与闭环稳定状态下的频率噪声、强度噪声及 2.4 GHz 差分相位噪声进行 0.1 mHz—15 Hz 频段表征，结果表明：构建的光纤放大系统在 0.1 mHz—1 Hz 全频段内的相对强度噪声优于 6×10⁻⁵ /Hz¹ᐟ²，自由运转频率噪声满足 LISA 对激光源的指标要求，采用被动隔离与温控后差分相位噪声在 0.1 mHz 处可低于 5×10⁻² rad/Hz¹ᐟ²，在 100 mHz—1 Hz 频段内满足星载引力波任务对光链相位稳定性的需求，为空间引力波探测激光链路工程化提供了重要实验基础。该成果发表在 Optics Express 33(13), 28141 (2025).
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.550808
图1 低频段激光强度噪声抑制方案及结果
III. 亚音频段非经典光源研制关键技术
[1]. 毫赫兹频段量子压缩态光场的实验制备：目前所有的地基引力波天文台，如LIGO、Virgo、KAGRA和GEO600等已成功应用10Hz-10kHz频段的压缩真空态来降低量子噪声。然而，目前大多数关于压缩光源的研究都集中于高频段，中低频段的压缩态产生仍然缺乏探索。为了制备亚音频段的压缩真空态，项目组提出了一种多重噪声抑制方案。利用倍频腔作为噪声转换元件，将激光指向噪声和工作点漂移噪声统一为激光强度噪声，与反馈回路相结合降低强度噪声，从而抑制周期性极化晶体的温度波动和双共振点偏移，有效解决了限制低频压缩态性能的因素。如下图所示，项目团队首次实现了低至4mHz频段8.0dB压缩真空态的制备，下一步利用多重噪声抑制方案结合先进的抛光和涂层方法，在忽略探测损耗的情况下，预计10.5 dB的压缩态可以实际应用于引力波天文台。该成果发表在Light: Science & Applications 13, 294 (2024).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01606-y
图1 mHz - kHz 压缩态噪声实测结果
[2]. kHz频段明亮振幅压缩光：在量子光学实验中，同时实现较高功率（mW级）、大宽带（kHz–MHz）与高压缩度的明亮压缩光输出存在着极大的技术瓶颈。项目团队提出了主被动混合式非经典功率噪声抑制新方案，极大地拓展了反馈带宽和环路增益，首次实现了kHz-MHz频段、输出功率1 mW的-5.5 dB明亮振幅压缩光制备。通过将多步循环光子倍频宽频带噪声被动抑制技术与非经典主动稳定技术相结合，实现了环路增益高达80 dB的振幅噪声抑制，显著降低了对高增益主动反馈的依赖，成功将功率稳定带宽拓展至MHz以上。实验中，将被动稳定后光束经过99:1分束镜分出99%作为内环传感光束，作为误差信号将振幅噪声抑制在外环光束的散粒噪声以下，提供了外环光束的亚散粒噪声技术噪声工作条件。在此基础上，结合主动反馈控制，kHz-MHz频段激光技术噪声从–122 dB/Hz抑制到–165 dB/Hz，与压缩真空在分束镜处相干耦合，完成非经典噪声稳定。如下图所示，最终实现了压缩度为-5.5 dB、输出功率为1 mW的kHz–MHz宽频带明亮振幅压缩光输出。该成果发表在Light: Science & Applications 14, 310 (2025)。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02013-7
图2 kHz频段不同功率明亮压缩光噪声实测结果
[3]. 库编辑的光学参量耦合压缩激光：项目团队提出了基于压缩库编辑的光学参量耦合增强非线性相互作用的实验方案，利用注入的压缩真空编辑OPO的真空库，实现非线性相互作用的指数级增强（gcosh2r，g为增益系数，r为压缩参数），将阈值以下OPO的弱参量耦合转变为强参量耦合，实现压缩增强的受激辐射。在OPO泵浦功率恒定的情况下，通过调控压缩真空态的压缩参数即可完全抑制OPO的类压缩噪声，保持输出光场的量子和相干特性。如下图所示，项目团队实现了压缩激光的输出功率达到2.6 mW，线宽为15 kHz，接近初始激光线宽，正交振幅分量最大压缩度为-6.1 dB，成功解决了激光相干性与压缩态量子性无法统一的难题，首次实现了高亮度、窄线宽、高压缩度压缩激光的实验制备。该成果发表在Physical Review Letters 134, 243803 (2025)。
论文链接：https://doi.org/10.1103/3bdr-njhy
图3 压缩激光原理和实测结果图
IV. 量子光源在精密测量领域的应用研究
[1]. 量子增强光力传感网络：连续变量分布式量子传感是将多个传感器与量子资源有效结合的量子计量方案。目前该领域的研究仍多依赖于电光调制器和波片等光学元件产生的模拟信号，尚未在实际应用场景中得到验证。项目团队首次实验演示了由四个性能高度一致的光力传感器和四组分纠缠态构成的量子增强光力传感网络，验证了分布式量子传感优势随传感器数量增加而增加。由于四个子模间的纠缠特性，联合测量噪声低于散粒噪声基准3.7 dB，实验获得的量子优势为23.7%。在非相干力的测量中，与分离方案相比，纠缠网络能够实现了33.7%的分辨率提升。该成果发表在Laser Photonics Reviews, e01636 (2025)。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202501636
图1 光力传感网络实测结果
V. 量子光源在量子信息技术领域的应用研究
[1]. 确定性的通用量子压缩门：压缩变换作为量子信息处理的重要组成部分，为实现分布式量子计算和量子逻辑门等各种任务提供了可能。项目团队制备了一种具有非局域操作特性的确定性的通用的高保真度的量子压缩门方案。在直接观测到非经典降噪6.5 dB的压缩状态下，演示了一个高保真压缩操作，即使目标压缩水平达到10 dB，如下图所示。此外，还进行了包括傅里叶变换和相位压缩门在内的高保真复杂操作，探索了利用该功能单元实现量子信息处理的复杂任务的潜力。该方法可应用于分布式量子处理器、奇异非经典态的生成和量子误差修正等领域。该成果发表在Laser & Photonics Reviews 2100329 (2021).
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202100329
图1 确定性通用量子门装置图
三、意义价值
本项目完成了小型化压缩/纠缠光源的设计构建，实现了高指标量子光源的稳定输出，进一步开展了量子增强光力传感、量子通信等多个方面的研究工作。项目团队将瞄准未来超高精度探测的升级方向，把更高性能、低噪声的压缩/纠缠光源应用于引力波探测等量子精密测量领域，完成进一步拓展示范。集成化非经典光源的成功实现，大范围拓展了量子非经典光源的应用场景，将来有望应用于更多领域，推动基于连续变量体系的量子增强技术取得重大发展。
