受探索自然與宇宙的好奇心驅(qū)使，極其微弱信號的探測一直是物理學(xué)家致力解決的科學(xué)難題。一個典型的例子是引力波的探測。上世紀(jì)初，愛因斯坦根據(jù)他的廣義相對論，預(yù)言了宇宙中引力波(gravitational  waves)的存在。但由于其信號極其微弱，即使存在，通常也被淹沒在探測儀器的量子噪聲背景中而難以被探測到。為了觀測引力波，科學(xué)家在地球幾個不同地方建立了激光干涉引力波觀測站(LIGO)。  但迄今為止，引力波仍像謎一樣徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。最近華東師范大學(xué)研究人員在微弱信號的探測方面取得重大突破，發(fā)展了一種新型的激光干涉技術(shù)，或可用于包括引力波探測、醫(yī)學(xué)、勘測、導(dǎo)航等多個領(lǐng)域。

　　據(jù)悉，由張衛(wèi)平教授領(lǐng)銜的量子研究團隊日前在國際上率先研制出光量子關(guān)聯(lián)干涉儀。該干涉儀能有效克服量子噪聲對被測量信號的限制，可探測各種極其微弱信號。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通信》（Nature  Communications）、《物理評論快報》（Physical Review Letters）等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上。

張衛(wèi)平教授與研究團隊部分成員在實驗中。

　　傳統(tǒng)的光學(xué)干涉儀經(jīng)過從普通光源到激光光源的發(fā)展,一直被公認為是一種高精密與高靈敏的光學(xué)測量儀器，并已廣泛應(yīng)用于天文觀測、慣性導(dǎo)航、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。然而,隨著科學(xué)與技術(shù)不斷發(fā)展的需要,人們對極其微弱信號的探測越來越關(guān)注。根據(jù)量子物理學(xué),任何可觀測的物理量都受到海森堡測不準(zhǔn)原理的限制。光學(xué)干涉儀也不例外，它對微弱信號的探測能力，或者靈敏度最終受限于真空量子噪聲漲落。怎樣既不違背量子物理規(guī)律又能克服量子噪聲對被測信號的限制，一直是困擾著科學(xué)家們的一個難題。

　　張衛(wèi)平研究團隊所采取的方法非常巧妙。他們的研究思路是希望借助放大信號來抑制量子噪聲，從而提高探測靈敏度。這意味著他們首先需要研制一個只放大信號而不放大量子噪聲的新型光放大器。顯然，這樣的放大器超出了目前的線性光學(xué)放大器的原理范疇。利用堿金屬銣原子(Rb)非線性量子光學(xué)四波混頻過程中的光量子關(guān)聯(lián)特性，該團隊突破了線性光學(xué)放大器信號與噪聲必須同時被放大的限制，實現(xiàn)了這種低噪聲光放大器。在此基礎(chǔ)上，他們進一步用這種放大器取代傳統(tǒng)激光干涉儀中的光束分束器，終于研制成功光量子關(guān)聯(lián)干涉儀。

光量子關(guān)聯(lián)干涉儀原理與實驗光路圖

光量子關(guān)聯(lián)干涉儀實驗實物圖

　　《自然通信》審稿人認為，該項工作是一項原創(chuàng)性的研究，將會啟發(fā)進一步的理論與實驗工作。不同于所有以前的量子精密測量實驗，該項研究所展示的是一種真正量子操作的新型干涉儀。

　　張衛(wèi)平教授說，在原理上，各種物理信號都可以變換成光的相位信號。在這個意義上，新研制的光量子關(guān)聯(lián)干涉儀可適用于各種極其微弱信號的探測。特別是，若將該干涉儀技術(shù)與引力波探測LIGO系統(tǒng)中的巨型干涉儀相結(jié)合，可望進一步提高LIGO系統(tǒng)對引力波的探測能力。

張衛(wèi)平教授與研究團隊部分成員在研討。

　　張衛(wèi)平教授強調(diào)，該研究是華東師范大學(xué)量子團隊實驗與理論研究人員通力合作的結(jié)果。青年教師荊杰泰教授、歐盟-中國聯(lián)合博士后Florian  Hudelist、博士研究生孔嘉以及紫江講座教授區(qū)澤宇等對實驗工作做出了重要貢獻。該項工作得到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、教育部以及上海市科委的長期支持。