GB-T 48222-2026《量子压缩光源技术规范》

1GB/T48222—2026量子压缩光源技术规范本文件给出了量子压缩光源的原理与分类，规定了量子压缩光源的关键参数要求，描述了相关制备与测试方法。本文件适用于基于非线性晶体的光学参量振荡器(opticalparametricoscillator,OPO)产生的量子压缩光源的制备。四波混频、光力和克尔效应等方法的量子压缩光源制备参考使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于GB/T25915.1—2021洁净室及相关受控环境第1部分：按粒子浓度划分空气洁净度等级GB/T43737—2024量子测量术语3术语和定义GB/T43737—2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。标准量子极限standardquantumlimit散粒噪声极限shotnoiselimit由量子力学原理决定的噪声极限。真空态vacuumstate真空能量密度的量子态。相干态coherentstate具有完全相干特性，且满足海森堡不确定性原理极限的正交分量涨落分布呈圆形特征的量子态。压缩态squeezedstate满足海森堡不确定性原理极限的正交分量涨落分布呈椭圆形特征的量子态。能产生压缩态的量子光源。2衡量压缩分量量子噪声涨落的程度。4量子压缩光源的原理与分类依据海森堡不确定性原理，量子压缩光源通过相敏非线性过程，能抑制光场的某一正交分量的噪声涨落，使其低于标准量子极限，而与之共轭的正交分量噪声涨落则被放大。当使用量子压缩光源开展精密测量时，待测信号物理量与压缩分量一致，则能突破标准量子极限实现信号提取。如果两个正交分量的噪声方差△²A和△²B满足公式(1)或公式(2)的关系，即为压缩态：A,B—量子压缩光源的两个正交分量，满足对易关系：[A,B]=i△²A——量子压缩光源正交分量A的量子噪声涨落；△²B—量子压缩光源正交分量B的量子噪声涨落。因此，两个分量的方差不能同时小于当两正交分量为振幅和相位时，正交振幅算符和正交相位算符定义见公式(3)和公式(4): (3) (4)X——正交振幅算符；a——湮灭算符；a+——产生算符；Y——正交相位算符。i虚数单位。使用X、Y得到压缩态的噪声方差满足公式(5)或公式(6)的关系：Δ2X̂<1,Δ2Ŷ>1 (5)△²X>1,△²Y<1 (6)△²Ý——正交相位噪声涨落。真空态、正交振幅压缩态和正交相位压缩态的相空间噪声分布示意图如图1所示，其中r为压缩3工图1真空态、正交振幅压缩态和正交相位压缩态的相空间噪声分布示意图4.2分类4.2.1正交振幅压缩态量子光源当基频光和倍频光的相对相位为π时，光场振幅分量的噪声涨落低于相干态正交振幅分量涨落，产生该光场的光源称为正交振幅压缩态量子光源，即满足公式(5)。示意图见图1b)。4.2.2正交相位压缩态量子光源当基频光和倍频光的相对相位为0时，光场相位分量的噪声涨落低于相干态正交相位分量涨落，产生该光场的光源称为正交相位压缩态量子光源，即满足公式(6)。示意图见图1c)。4.2.3正交压缩态量子光源当压缩态的压缩角为任意角度时，光场正交振幅和正交相位线性组合分量的量子涨落低于相干态的噪声涨落，产生该光场的光源称为正交压缩态量子光源，即满足公式(7)或者公式(8)。正交压缩态示意图见图2,其中，X₁和Y₁分别表示正交振幅与正交相位分量；X2和Y²分别表示任意压缩角的正交压缩态对应的压缩分量与反压缩分量；θ为X₁轴与X₂轴之间夹角的2倍。4图2正交压缩态示意图5关键参数a)压缩度：量子压缩光源关键参数指标，定义为压缩分量的噪声方差V.的对数值，单位为dB,用于衡量光源压缩分量的量子噪声水平，计算公式见公式(9)。b)输出功率：量子压缩光源直接输出的压缩光的功率大小，可使用功率计测量，单位为μW,用于表征量子压缩光源亮度。c)光束质量：采用光斑的M²因子评价压缩光的光束质量，用于表征压缩态量子光源聚焦的能力，光斑x和y方向的M²因子计算公式见公式(10)。Θ——远场发散角；wo———实际光斑腰斑半径。d)纯度：用于表征量子态与纯态接近程度的物理量，计算公式见公式(11)。方差。5.2压缩度按照公式(9)计算，压缩度应小于0dB。输出功率对于明亮压缩态，输出功率宜大于10μW;对于压缩真空态，不考核输出功率指标。5.4光束质量按照公式(10)计算，M²因子宜小于1.1。5.5纯度按照公式(11)计算的纯度值应介于0～1之间。6制备方法6.1概述量子压缩光源制备系统主要包括：单频激光系统、相敏非线性模块、探测系统、路以及相位锁定电子伺服回路，组成框图如图3所示。伺服回路1图3量子压缩光源制备系统组成框图各组成部分主要功能为：a)单频激光系统：提供光源和频率标准；b)相敏非线性模块：制备压缩态光场；6.2制备系统6.2.1单频激光系统单频激光系统(singlefrequencylasersystem,SFLS)应满足如下指标：a)激光器数量：1台；d)激光功率稳定性：≤±1%;e)模式清洁器：激光器出射光通过模式清洁器后，应能滤除压缩态测量频段的激光噪声，使噪声6水平达到标准量子极限。相敏非线性模块相敏非线性模块主要指光学参量振荡器，其参数应满足如下指标：a)工作状态：低于参量振荡阈值；d)谐振条件：压缩光单谐振，或压缩光与泵浦光双谐振；e)信号光与泵浦光的模式匹配效率：≥95%。6.2.3电子伺服回路电子伺服回路包括腔长锁定电子伺服回路和相位锁定电子伺服回路。电子伺服回路应满足如下6.2.4探测系统6.2.4.1平衡零拍探测器平衡零拍探测器(balanceddetector,BHD)能够放大光学参量振荡器输出的弱信号光(压缩光),且不引入额外经典噪声，直接测试压缩光正交分量的压缩与反压缩噪声谱，评估量子压缩光源的量子噪声水平。平衡零拍探测器宜满足如下指标：a)量子效率：≥90%;d)探测带宽：能测量的最大分析频率至少达到压缩光的压缩带宽。注：压缩分量的噪声方差V、随测量的分析频率的增加而逐渐变大，从低频处的V,变化为V,+0.5(1-V.)时，对应的频率谱宽度即为压缩光的压缩带宽。光功率计光功率计能够测量光功率大小，可进行压缩光功率的直接测量。光功率计应具备长时间采集并保存数据的功能，或具有数据接口可将数据直接导入电脑进行数据处理。光功率计宜满足如下指标：a)工作波长：覆盖光源中心波长；b)测量光功率范围：覆盖量子压缩光源输出光功率；c)测量不确定度(k=2):≤0.5dB。6.2.4.3光束质量分析仪光束质量分析仪能够对压缩光横模模式的空间能量或强度分布、光束宽度、椭圆度和方向等信息进行测量，并测量光场的M²因子。光束质量分析仪宜满足如下指标：a)工作波长：覆盖光源中心波长；b)饱和光功率范围：覆盖量子压缩光源输出光功率；c)测量距离：可沿着光传播方向扫描光斑在x和y方向形成的双曲线型轨迹，准确测量光斑直径及演化轨迹。76.3制备步骤6.3.1激光噪声滤波激光噪声滤波的具体制备步骤如下：a)单频激光器输出的基频光，通过合适的透镜组成对基频光光斑进行整形，并耦合至高稳定模式清洁器中；b)优化透镜组合的焦距和类型(凸透镜或凹透镜)以及各透镜的间距，并调节模式清洁器前的导光镜，实现基频光与模式清洁器基模的模式匹配，使匹配效率≥98%;c)此时，模式清洁器透射光的空间基模实现纯化，压缩光对应分析频段较大的振幅噪声和相位噪声被滤除，光束质量和指向稳定性得到提升，为高压缩度压缩态的制备与测量提供噪声达到标准量子极限的激光光束。6.3.2相敏非线性模块6.3.2.1概述压缩光能够通过OPO、四波混频、光力法、克尔效应等方法制备。本文件主要介绍OPO方法，其余方法的相敏非线性过程见附录A。注：不同制备方法的区别在于所依托的非线性过程不同，但其共同特征是制备过程需经历相敏非线性相互作用。光学参量振荡器光学参量振荡器的具体制备步骤如下：a)将经过模式清洁器的基频光用分束器分为三路；b)第一路基频光占绝大部分功率，注入倍频腔(secondharmonicgenerator,SHG)进行参量上转c)第二路基频光和SHG产生的倍频光同时注入OPO中，在OPO内的非线性晶体中发生参量d)参量下转换过程结合泵浦光与压缩光的相对相位锁定即完成相敏非线性相互作用，实现稳定的压缩光输出。通过电子伺服控制回路将下转换光和泵浦光的相对相位锁定为π,此时OPO输出的下转换光即产生正交振幅压缩光；通过电子伺服控制回路将下转换光和泵浦光的相对相位锁定为0,此时OPO输出的下转换光即产生正交相位压缩光；当上述压缩光用特定的技术手段(如噪声椭圆旋转技术等)操控压缩角为任意角度时，产生正交压缩光。探测系统探测系统的具体制备步骤如下：a)通过调节6.3.2.2分束器，将输出的第三路基频光功率调节至大于压缩光功率至少100倍；b)第三路基频光作为本底光，与压缩光在50:50分束器上相干耦合；c)50:50分束器输出的两路光分别注入BHD的两个探测器进行差分探测；d)通过锁定或扫描两光束的相对相位，实现对压缩光压缩分量与反压缩分量的探测；e)BHD输出的差分信号由频谱分析仪记录；f)将注入光束质量分析仪的压缩光功率调节至小于成像探头的饱和功率；g)将压缩光单独注入光功率计或光束质量分析仪中，测试压缩光的功率和光束质量。87测试方法7.1测试条件量子压缩光源制备环境如下：a)温度：25℃±3℃;b)相对湿度：(40±10)%;c)洁净度：符合GB/T25915.1—2021规定的ISO7级及以上；d)电源环境：220V,配备UPS和稳压电源。压缩度及其稳定性测试探测器1探测器1光电流探测器2图4压缩度测试框图压缩度测试框图如图4所示。具体测试步骤如下。a)挡住量子压缩光源输出的压缩光，仅本底光进入BHD,经50:50分束器输出后注入BHD的探测器1和探测器2,两探测器输出的交流光电流信号通过减法器相减后接入频谱分析仪，此时记录BHD输出的噪声谱可得到标准量子极限A。b)将量子压缩光源输出的信号光与本底光同时注入BHD,在50:50分束器上发生干涉，相干耦合输出的两路光分别注入BHD的探测器1和探测器2。c)探测器1和探测器2输出的交流光电流信号通过减法器相减后进入频谱分析仪。d)扫描本底光路中的压电陶瓷，两束光之间的相对相位在0~π之间不断发生变化。在不同的相对相位处，50:50分束器输出的干涉信号光强不同，依据光强大小的不同依次可测量信号光的反压缩分量、压缩分量或者介于两者之间的量子噪声方差信息。e)通过频谱分析仪记录BHD输出的扫描光电流信号，即获得压缩光正交分量的量子噪声，扫描信号的最小值标记为压缩分量A,最大值标记为反压缩分量Aa。f)通过计算量子噪声最小值与标准量子极限的差值，可得到压缩光的压缩度，计算公式见公式VaB=A,-Asql……(12)g)通过电子伺服回路锁定OPO腔长、泵浦光与种子光的相对位相、本底光与压缩光的相对位相，使OPO稳定工作于最大压缩度，记录压缩度的长期稳定性。测试时间应根据具体应用场景由供需双方协商确定，典型测试时间不少于2h。记录压缩度随时间变化的最大值Vmax与最小值Vm:n之间的峰峰值Vp-p,见公式(13),并计算所有数据点的平均值，标记为V,则量子压缩光源的长期稳定性为Vp-p/V。Vp-p=Vmax-Vmin……(13)输出功率及其稳定性测试图5输出功率测试框图输出功率测试框图如图5所示。具体测试步骤如下：a)将量子压缩光源输出的明亮压缩光经透镜聚焦，使全部光束进入光功率计，待输出功率稳定；b)仔细校准量子压缩光源的光学谐振腔长和相对相位锁定环路的锁定零点、控制系统的比例(proportional,P)、积分(integral,I)、微分(differentive,D)等参数，使光源输出功率达到最大并保持在最高压缩度稳定运行，用光功率计记录此时压缩光源的输出功率；c)待量子压缩光源的输出功率和压缩度稳定并无明显波动后，记录输出功率的长期稳定性，测试时间应根据具体应用场景由供需双方协商确定，典型测试时间不少于2h。记录功率随时间变化的最大值Pmax与最小值Pm.n之间的峰峰值Pp-p,见公式(14),并计算所有数据点的平均值，标记为P,则量子压缩光源输出功率的长期功率稳定性为Pp-p/P。7.4光束质量测试量子压缩光源一图6光束质量测试框图光束质量测试框图如图6所示。具体测试步骤如下：a)将量子压缩光源输出的明亮压缩光通过衰减器衰减至合适功率后，输入至光束质量分析仪，调节光束质量分析仪前方的透镜，使聚焦后的腰斑落在光束质量分析仪内机械导轨中心附近，同时保证聚焦光束在导轨上每一处的光斑均照射在光束质量分析仪成像探头中心；b)满足上述优化条件后，沿着导轨将光束质量分析仪成像探头从近到远或从远到近以等间距移动，并记录每一位置处的光斑大小，绘制出完整的光斑直径形成的双曲线型轨迹；c)用腰斑大小的双曲线型函数对b)中测得的数据点进行拟合，记录光斑最小时的腰斑半径wo,并拟合出远场发散角⊙;分别记录x和y方向的腰斑半径和远场发散角；d)依据以上测试参数，将测得的光斑x和y方向的w。和Θ代入公式(10),计算压缩光的M²纯度测试探测器1探测器1透镜150:50分束器探测器2透镜2图7纯度测试框图纯度测试框图如图7所示。具体测试步骤如下。a)量子压缩光源输出的压缩光作为信号光与本底光在50:50分束器上干涉耦合，调节分束器角度，用光功率计监测两束光的功率，直至两者相等，功率均分后的两束光分别入射至BHD的两个探测器。b)通过探测器1和探测器2前的反射镜1和反射镜2,细调探测器前光束的指向。将两个探测器输出的直流信号分别接入示波器的通道1和通道2,仔细观察直至两束光产生的直流信号相等，即表明两个探测器接收到的光功率相等且达到最大，可判断光斑完全落在光敏面上；当光斑大小大于探测器光敏面时，需要在探测器1和探测器2前分别放置合适的透镜1和透镜2,聚焦光斑，使其焦点落在探测器光敏面中心，并满足上述直流信号相等的条件。c)将两个探测器输出的交流信号接入减法器的两个输入端，相减后的信号输入频谱分析仪，记录差分交流信号。d)将两束光之间的相对相位锁定为0,由频谱分析仪记录压缩光的正交压缩分量V₈;将两束光之间的相对相位锁定为π/2,记录压缩光的正交反压缩分量Va。e)通过计算OPO输出压缩光后，光路中各元器件(包括反射镜、50:50分束器、透镜、BHD等)的插入损耗、反射损耗、吸收损耗、模式失配损耗及BHD探测效率损耗之和，可评估出压缩光在探测系统传输过程中的综合损耗l,计算得到传输效率η=1-1。f)依据以上测试参数，将测得的η、V.和V。8测试报告测试报告应至少包含以下内容：a)被测试对象；b)测试报告的唯一编号；c)测试用仪器和设备的型号和工作条件；d)测试内容及要求；e)测试结果以及必要的结果说明；GB/T48222—2026f)测试日期；g)测试人员及审核人员签名；h)测试单位名称及地址。测试报告参见附录B。GB/T48222—2026(资料性)相敏非线性过程常用方法基于非线性晶体的光学参量振荡器将一束频率为wp的强泵浦光注入置于光学谐振腔内的具有二阶非线性光学效应的晶体中(如周期极化磷酸钛氧钾等)。在满足相位匹配条件下，泵浦光通过自发参量下转换过程产生频率为w。的信号光和频率为w;的闲置光。谐振腔使信号光和闲置光多次往返并持续放大，显著增强非线性相互作用效率。通过调控泵浦光功率、晶体温度及谐振腔长度，使OPO工作在阈值以下区域。此时泵浦光的量子噪声通过参量相互作用被重新分配，当精确控制泵浦光与腔内光场的相位关系时，能够使特定正交分量的量子涨落低于标准量子极限，产生压缩态光场。四波混频将两束频率不同的强泵浦光(频率分别为wp和wp')与一束频率为w。的信号光同时注入具有三阶非线性光学效应的介质中(如某些特殊晶体或气体)。在满足相位匹配条件下，四束光相互作用发生四波