55、量子干涉测量技术：突破传统极限的探索

量子干涉测量技术：突破传统极限的探索

1. 量子干涉的基础概念

量子干涉是量子物理学最基本的概念之一，在众多领域都有体现。它充分展示了大质量粒子的波动性，像杨氏电子双缝实验以及戴维森 - 革末的晶体表面电子衍射实验，都是早期的实验证明。近年来，甚至在更大的粒子上也观察到了类似的衍射现象。

量子物理学对光实验的影响与光场的量子化相关，光模式的能量被量子化为基本单位（光子能量）的倍数。在单光子实验中，量子效应尤为明显，例如洪 - 欧 - 曼德尔干涉，当两个光子同时分别从分束器的两个输入端口入射时，不会出现两个输出端口各有一个光子的情况。一般来说，场统计（即可观测量的高阶矩）会被量子效应所改变甚至主导，而场统计对于理解干涉仪的基本灵敏度限制至关重要，即便在高亮度水平下也是如此。

直到1980年，凯夫斯才建立了干涉仪镜质量的海森堡位置和动量不确定性、光子计数统计以及干涉仪镜上入射光引起的光压不确定性之间的联系。此后不久，劳登使用场正交分量的高阶矩进行了定性分析。根据这种方法，当光子计数统计和光压不确定性的贡献使振幅正交分量的方差（二阶矩）达到总体最小时，干涉仪能达到最佳灵敏度。然而，袁证明了对于任何一对共轭变量（如动量和位置），只有当这些变量的不确定性不相关时，上述考虑才成立。1981年，昂鲁在一次讲座中指出，将输出振幅方差的两个随机贡献相关联，会使标准量子极限变得过时。直到后来，雅克和雷诺以及路易斯和桑切斯 - 索托重新研究了这个问题，他的工作才受到关注。通过在干涉仪输入处提供非经典光（如适当压缩的光），可以提高干涉仪的灵敏度。目前，在改进用于引力波探测的大型激光干涉仪灵敏度的计划中，绕过标准量子极限已成为既定方案。此外，干涉仪本身会改变通过它的光的光子统计，这被称为 ponderom