RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 7, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2024

 / 

Июль

←  →

Обзоры актуальных проблем


Квантовая оптическая метрология

†  а, б, ‡  а, б, §  б, *  б, #  б, в
а Национальный исследовательский университет ИТМО, Кронверкский просп. 49, лит. А, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация
б Южно-Уральский государственный университет, проспект Ленина 76, Челябинск, 454080, Российская Федерация
в Центр квантовых технологий Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Ленинские горы 1, стр. 35, Москва, 119991, Российская Федерация

Приведён обзор актуальных работ, выполненных в области оптической квантовой метрологии за последнее время. Основной акцент сделан на анализе современного уровня теоретических и экспериментальных исследований, посвящённых генерации, преобразованию и измерению неклассических состояний света, таких как N00N-, сжатых, а также гибридных состояний, одновременно сочетающих в себе методы преобразования и дискретных, и непрерывных переменных квантованного светового поля. Показано, каким образом они могут быть полезными для повышения точности измерения и оценки неизвестных фазовых параметров как в линейной, так и нелинейной метрологии. Важное место в настоящем обзоре занимает описание реальных схем квантовой метрологии, учитывающих потери частиц, неэффективности детекторов фотонов и пр. Выделены предельные (фундаментальные) ограничения, налагаемые квантово-механическими неопределённостями соответствующих величин при измерении, а также ограничения, обусловленные влиянием классических шумов на процесс распространения и измерения квантованного поля. Особое внимани уделено возможностям квантовой метрологии, основанной на спонтанном параметрическом рассеянии света, являющемся вот уже более 50 лет незаменимым инструментом достижения ключевых результатов в квантовой оптике и смежных направлениях, связанных с фотоникой, — квантовой криптографии, квантовых вычислениях и квантовой сенсорике. В связи с этим нами анализируется современное состояние дел по использованию широко известного эффекта антикорреляции фотонов Хонга—Оу—Манделя, по интерференции бифотонов в различных схемах квантовой метрологии, связанных с измерением температуры, длины, концентрации веществ, и т.д. Вместе с тем в обзоре обсуждается использование бифотонов в фотометрии, радиометрии и сенсорике для задач абсолютной калибровки современных детекторов счёта фотонов, а также измерений яркостной температуры для горячих источников излучения. Обсуждаемые в обзоре явления, методы и подходы квантовой метрологии в свете новейших достижений в области квантовых источников излучения, его детектирования послужат важным инструментом в разработке и практической реализации новых схем и алгоритмов по квантовой обработке и передаче информации.

Текст pdf (2,2 Мб)
Ключевые слова: квантовые измерения, квантовая интерферометрия, спонтанное параметрическое рассеяние света, квантовая сенсорика, фотометрия, радиометрия, неклассические состояния света, бифотоны, квантовая информация и вычисления
PACS: 03.67.−a, 06.20.−f, 42.50.−p, 42.50.Dv (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2024.01.039634
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2024/7/b/
Цитата: Алоджанц A П, Царёв Д В, Куц Д А, Подошведов С А, Кулик С П "Квантовая оптическая метрология" УФН 194 711–739 (2024)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 28 сентября 2023, доработана: 25 декабря 2023, 16 января 2024

English citation: Alodjants A P, Tsarev D V, Kuts D A, Podoshvedov S A, Kulik S P “Quantum optical metrology” Phys. Usp. 67 (7) (2024); DOI: 10.3367/UFNe.2024.01.039634

Список литературы (178) ↓ Похожие статьи (20)

  1. Imkamp D, Schmitt R, Berthold J Tech. Messen 79 (10) 433 (2012)
  2. Imkamp D et al J. Sens. Sens. Syst. 5 325 (2016)
  3. Pendrill L R, NCSLI Measure, https://www.euramet.org/
  4. Catalucci S et al Int. J. Adv. Manuf. Technol. 120 4271 (2022)
  5. Born M, Wolf E Principles of Optics (Oxford: Pergamon Press, 1968); Пер. на русск. яз., Борн М, Вольф Э Основы оптики (М.: Наука, 1973)
  6. Caves C M Phys. Rev. D 23 1693 (1981)
  7. Unruh W G Quantum Optics, Experimental Gravity, and Measurement Theory (Eds P Meystre, M O Scully) (New York: Plenum Press, 1983) p. 647
  8. Nawrocki W Introduction to Quantum Metrology: Quantum Standards and Instrumentation (Cham: Springer, 2015)
  9. Lawall J, Kessler E Rev. Sci. Instrum. 71 2669 (2000)
  10. Брагинский В Б ЖЭТФ 53 1434 (1967); Braginskii V B Sov. Phys. JETP 26 831 (1968)
  11. Demkowicz-Dobrzański R, Jarzyna M, Kolodyński J Prog. Opt. 60 345 (2015)
  12. Додонов В В, Манько В И Инварианты и эволюция нестационарных квантовых систем (Труды ФИАН) Т. 183 (М.: Наука, 1987); Пер. на англ. яз., Dodonov V V, Man'ko V I Invariants and the Evolution of Nonstationary Quantum Systems (Proc. of the Lebedev Physics Institute) Vol. 183 (Commack, NY: Nova Science, 1989)
  13. Thompson J D et al Nature 452 72 (2008)
  14. Schnabel R Phys. Rep. 684 1 (2017)
  15. Zurek W H Complexity, Entropy and The Physics of Information (Ed. W H Zurek) (Santa Fe: SFI Press, 2023) p. 437
  16. Unruh W G Ann. New York Acad. Sci. 480 242 (1986)
  17. Danilishin S L, Khalili F Ya, Miao H Living Rev. Relativ. 22 2 (2019)
  18. Aasi J et al Nature Photon. 7 613 (2013)
  19. Брагинский В Б Физические эксперименты с пробными телами (М.: Наука, 1970)
  20. Press W H, Thorne K S "Gravitational-wave astronomy" Preprint (Pasadena, CA: California Institute of Technology, 1972); Пер. на русск. яз., Пресс У, Торн К УФН 110 569 (1973)
  21. Abbott B P et al (KAGRA Collab., LIGO Scientific Collab., Virgo Collab.) Living Rev. Relativ. 23 3 (2020)
  22. Scully M O, Zubairy M S Quantum Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1997); Пер. на русск. яз., Скалли М О, Зубайри М С Квантовая оптика (М.: Физматлит, 2003)
  23. Халили Ф Я УФН 186 1059 (2016); Khalili F Ya Phys. Usp. 59 968 (2016)
  24. Ludlow A D et al Rev. Mod. Phys. 87 637 (2015)
  25. Mitchell M W, Palacios Alvarez S Rev. Mod. Phys. 92 021001 (2020)
  26. Ono T, Okamoto R, Takeuchi S Nat. Commun. 4 2426 (2013)
  27. Acín A et al New J. Phys. 20 080201 (2018)
  28. Bongs K et al Nat. Rev. Phys. 1 731 (2019)
  29. Pezzè L et al Rev. Mod. Phys. 90 035005 (2018)
  30. Degen C L, Reinhard F, Cappellaro P Rev. Mod. Phys. 89 035002 (2017)
  31. Migdall A et al (Eds) Single-Photon Generation and Detection: Physics and Applications (Experimental Methods in the Physical Sciences) Vol. 45 (Boston: Academic Press, 2013)
  32. Bloch I Nature Phys. 1 23 (2005)
  33. Marti G E et al Phys. Rev. Lett. 120 103201 (2018)
  34. Gross C et al Nature 464 1165 (2010)
  35. Wolfgramm F et al Phys. Rev. Lett. 105 053601 (2010)
  36. Leroux I D, Schleier-Smith M H, Vuletić V Phys. Rev. Lett. 104 250801 (2010)
  37. Jackson Kimball D F et al "Optical magnetometry with modulated light" Optical Magnetometry (Eds D Budker, D F Jackson Kimball) (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2013) p. 104
  38. Wasilewski W et al Phys. Rev. Lett. 104 133601 (2010)
  39. Lee S K et al Appl. Phys. Lett. 89 214106 (2006)
  40. Afanasiev A E et al Opt. Laser Technol. 148 107698 (2022)
  41. Sewell R J et al J. Phys. B 43 051003 (2010)
  42. Degen C L, Reinhard F, Cappellaro P Rev. Mod. Phys. 89 035002 (2017)
  43. Кулик С П Наука и инновации (8) 31 (2023)
  44. Tsarev D V et al New J. Phys. 21 083041 (2019)
  45. Starodumov A N et al Appl. Phys. Lett. 70 19 (1997)
  46. Boto A N et al Phys. Rev. Lett. 85 2733 (2000)
  47. Kok P, Braunstein S L, Dowling J P J. Opt. B 6 S811 (2004)
  48. Ball P Physics 8 18 (2015)
  49. Dowling J P, Seshadreesan K P J. Lightwave Technol. 33 2359 (2015)
  50. Cohen L et al Phys. Rev. Lett. 123 203601 (2019)
  51. Shapiro J H IEEE Aerospace Electron. Syst. Mag. 35 8 (2020)
  52. Pezz&leacute; L, Smerzi A Phys. Rev. Lett. 100 073601 (2008)
  53. Lang M D, Caves C M Phys. Rev. Lett. 111 173601 (2013)
  54. Manceau M, Khalili F, Chekhova M New J. Phys. 19 013014 (2017)
  55. Tichy M C J. Phys. B 47 103001 (2014)
  56. Клышко Д Н Квантовая электроника 4 1056 (1977); Klyshko D N Sov. J. Quantum Electron. 7 591 (1977)
  57. Клышко Д Н, Пенин А Н УФН 152 653 (1987); Klyshko D N, Penin A N Sov. Phys. Usp. 30 716 (1987)
  58. Zwinkels J C et al Metrologia 47 R15 (2010)
  59. Chu Y et al Appl. Phys. Lett. 118 240401 (2021)
  60. Polino E et al AVS Quantum Sci. 2 024703 (2020)
  61. Dowling J P Contemp. Phys. 49 125 (2008)
  62. Baburin A S et al 2022 Intern. Conf. Laser Optics, ICLO, Saint Petersburg, Russian Federation, 20-24 June 2022 (Piscataway, NJ: IEEE, 2022)
  63. Chekhova M V, Ou Z Y Adv. Opt. Photon. 8 104 (2016)
  64. Helstrom C W Quantum Detection and Estimation Theory (New York: Academic Press, 1976); Пер. на русск. яз., Хелстром К Квантовая теория проверки гипотез и оценивания (М.: Мир, 1979)
  65. Ахманов С А, Дьяков Ю Е, Чиркин А С Введение в статистическую радиофизику и оптику (М.: Наука, 1981)
  66. Giovannetti V, Lloyd S, Maccone L Phys. Rev. Lett. 96 010401 (2006)
  67. Bachor H-A, Ralph T C A Guide to Experiments in Quantum Optics (Weinheim: Wiley-VCH, 2004)
  68. Мурзахметов Б К, Чижов А В ЭЧАЯ 27 747 (1996); Murzakhmetov B K, Chizhov A V Phys. Part. Nucl. 27 309 (1996)
  69. Alodjants A P, Arakelian S M J. Mod. Opt. 46 475 (1999)
  70. Yurke B, McCall S L, Klauder J R Phys. Rev. A 33 4033 (1986)
  71. Zare R N Angular Momentum: Understanding Spatial Aspects in Chemistry and Physics (New York: Wiley, 1988); Пер. на русск. яз., Зар Р Теория углового момента: О пространственных эффектах в физике и химии (М.: Мир, 1993)
  72. Gerry C C, Benmoussa A, Campos R A J. Mod. Opt. 54 2177 (2007)
  73. Клышко Д Н ЖЭТФ 111 1955 (1997); Klyshko D N J. Exp. Theor. Phys. 84 1065 (1997)
  74. Podoshvedov M S, Podoshvedov S A, Kulik S P Sci. Rep. 13 3965 (2023)
  75. Podoshvedov M S, Podoshvedov S A Laser Phys. Lett. 20 045202 (2023)
  76. Costanzo L S et al Phys. Rev. Lett. 119 013601 (2017)
  77. Pezzé L, Smerzi A Phys. Rev. Lett. 110 163604 (2013)
  78. Карасев В П, Масалов А В Оптика и спектроскопия 74 928 (1993); Karasev V P, Masalov A V Opt. Spectrosc. 74 551 (1993)
  79. Luis A Phys. Lett. A 329 8 (2004)
  80. Luis A Phys. Rev. A 76 035801 (2007)
  81. Tsarev D V et al Opt. Express 26 19583 (2018)
  82. Zhang J et al Opt. Express 15 7682 (2007)
  83. Sich M et al Nature Photon. 6 50 (2012)
  84. Deng H, Haug H, Yamamoto Y Rev. Mod. Phys. 82 1489 (2010)
  85. Khaykovich L et al Science 296 1290 (2002)
  86. Hall M J W, Wiseman H M Phys. Rev. X 2 041006 (2012)
  87. Захаров Р В, Тихонова О В УФН 193 406 (2023); Zakharov R V, Tikhonova O V Phys. Usp. 66 381 (2023)
  88. Walls D F Nature 306 141 (1983)
  89. Голубев Ю М, Соколов И В ЖЭТФ 87 408 (1984); Golubev Yu M, Sokolov I V Sov. Phys. JETP 60 234 (1984)
  90. Смирнов Д Ф, Трошин А С УФН 153 233 (1987); Smirnov D F, Troshin A S Sov. Phys. Usp. 30 851 (1987)
  91. Loudon R, Knight P L J. Mod. Opt. 34 709 (1987)
  92. Ахманов С А и др Новые физические принципы оптической обработки информации (Под ред. С А Ахманова, М А Воронцова) (М.: Наука, 1990)
  93. Килин С Я Квантовая оптика: поля и их детектирование (Минск: Навука i тэхнiка, 1990)
  94. Teich M C, Saleh B E A Quantum Opt. 1 153 (1989); Пер. на русск. яз., Тайш М К, Салэ Б Э А УФН 161 (4) 101 (1991)
  95. Клышко Д Н, Масалов А В УФН 165 1249 (1995); Klyshko D N, Masalov A V Phys. Usp. 38 1203 (1995)
  96. Dodonov V V J. Opt. B 4 R1 (2002)
  97. Mikheev E V et al Sci. Rep. 9 14301 (2019)
  98. Braunstein S L, van Loock P Rev. Mod. Phys. 77 513 (2005)
  99. Andersen U L et al Nature Phys. 11 713 (2015)
  100. Takeda S, Furusawa A APL Photonics 4 060902 (2019)
  101. Lvovsky A I Photonics: Scientific Foundations, Technology and Applications (Ed. D L Andrews) (New York: John Wiley and Sons, 2015) p. 121
  102. Vahlbruch H et al Phys. Rev. Lett. 117 110801 (2016)
  103. Dutt A et al Phys. Rev. Appl. 3 044005 (2015)
  104. Mondain F et al Photon. Res. 7 (7) A36 (2019)
  105. Mehmet M et al Opt. Express 19 25763 (2011)
  106. Grangier P et al Phys. Rev. Lett. 59 2153 (1987)
  107. Demkowicz-Dobrzański R, Banaszek K, Schnabel R Phys. Rev. A 88 041802 (2013)
  108. Campos R A, Saleh B E A, Teich M C Phys. Rev. A 40 1371 (1989)
  109. Birrittella R J, Alsing P M, Gerry C C AVS Quantum Sci. 3 014701 (2021)
  110. Gol'tsman G N et al Appl. Phys. Lett. 79 705 (2001)
  111. Cheng R et al Nature Photon. 17 112 (2023)
  112. Lita A E et al J. Lightwave Technol. 40 7578 (2022)
  113. Cahall C et al Optica 4 1534 (2017)
  114. Sahin D et al Appl. Phys. Lett. 103 111116 (2013)
  115. Marsili F et al Nature Photon. 7 210 (2013)
  116. Hadfield R H Nature Photon. 3 696 (2009)
  117. Eaton M et al Nature Photon. 17 106 (2023)
  118. Polyakov S V Exp. Meth. Phys. Sci. 45 257 (2013)
  119. Charaev I et al Nat. Nanotechnol. 18 343 (2023)
  120. Mitchell M W, Lundeen J S, Steinberg A M Nature 429 161 (2004)
  121. Resch K J et al Phys. Rev. Lett. 98 223601 (2007)
  122. Okamoto R et al New J. Phys. 10 073033 (2008)
  123. Mandel L, Wolf E Optical Coherence and Quantum Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995); Пер. на русск. яз., Мандель Л, Вольф Э Оптическая когерентность и квантовая оптика (М.: Физматлит, 2000)
  124. Hong C K, Ou Z Y, Mandel L Phys. Rev. Lett. 59 2044 (1987)
  125. Burlakov A V et al Phys. Rev. A 64 041803 (2001)
  126. Клышко Д Н Физические основы квантовой электроники (М.: Наука, 1986); Пер. на англ. яз., Klyshko D Physical Foundations of Quantum Electronics (Eds M Chekhova, S Kulik) (Singapore: World Scientific, 2011)
  127. Kim H, Kwon O, Moon H S Sci. Rep. 11 20555 (2021)
  128. Grice W P, Walmsley I A Phys. Rev. A 56 1627 (1997)
  129. Grice W P, U'Ren A B, Walmsley I A Phys. Rev. A 64 063815 (2001)
  130. Scott H et al Phys. Rev. A 104 053704 (2021)
  131. Singh S et al arXiv:2304.13300
  132. Клышко Д Н УФН 164 1187 (1994); Klyshko D N Phys. Usp. 37 1097 (1994)
  133. Yang Y, Xu L, Giovannetti V Sci. Rep. 9 10821 (2019)
  134. Crespi A et al Appl. Phys. Lett. 100 233704 (2012)
  135. Barer R, Tkaczyk S Nature 173 821 (1954)
  136. Chen Y et al npj Quantum Inf. 5 43 (2019)
  137. Tateda M, Tanaka S, Sugawara Y Appl. Opt. 19 770 (1980)
  138. Tsarev D et al New J. Phys. 22 113016 (2020)
  139. Kim H, Park H S, Choi S-K Opt. Express 17 19720 (2009)
  140. Melnikov A A et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115 1221 (2018)
  141. Melnikov A et al Adv. Phys. X 8 2165452 (2023)
  142. Клышко Д Н УФН 154 133 (1988); Klyshko D N Sov. Phys. Usp. 31 74 (1988)
  143. Pelucchi E et al Nat. Rev. Phys. 4 194 (2022)
  144. Wang J et al Nature Photon. 14 273 (2020)
  145. Matthews J C F et al Nature Photon. 3 346 (2009)
  146. Silverstone J W et al Nature Photon. 8 104 (2014)
  147. van Loock P Laser Photon. Rev. 5 167 (2011)
  148. Hofmann H F, Ono T Phys. Rev. A 76 031806 (2007)
  149. Israel Y, Rosen S, Silberberg Y Phys. Rev. Lett. 112 103604 (2014)
  150. Ulanov A E et al Nat. Commun. 7 11925 (2016)
  151. Afek I, Ambar O, Silberberg Y Science 328 879 (2010)
  152. Kok P, Lee H, Dowling J P Phys. Rev. A 65 052104 (2002)
  153. Bohmann M, Sperling J, Vogel W Phys. Rev. A 91 042332 (2015)
  154. Huver S D, Wildfeuer C F, Dowling J P Phys. Rev. A 78 063828 (2008)
  155. Demkowicz-Dobrzanski R et al Phys. Rev. A 80 013825 (2009)
  156. Rubin M A, Kaushik S Phys. Rev. A 75 053805 (2007)
  157. Dorner U et al Phys. Rev. Lett. 102 040403 (2009)
  158. Haigh T J, Ferris A J, Olsen M K Opt. Commun. 283 3540 (2010)
  159. Shen Y R The Principles of Nonlinear Optics (New York: J. Wiley, 1984); Пер. на русск. яз., Шен И Р Принципы нелинейной оптики (М.: Наука, 1989)
  160. Avella A et al Opt. Express 19 23249 (2011)
  161. Brida G et al J. Opt. Soc. Am. B 23 2185 (2006)
  162. Prudkovskii P A, Safronenkov D A, Kitaeva G Kh Opt. Lett. 47 4842 (2022)
  163. Новикова Т И, Леонтьев А А, Китаева Г Х Письма в ЖЭТФ 116 343 (2022); Novikova T I, Leontyev A A, Kitaeva G Kh JETP Lett. 116 353 (2022)
  164. Prudkovskii P et al Sensors 21 4964 (2021)
  165. Lundeen J S et al Nature Phys. 5 27 (2009)
  166. Hsieh H Y et al Symmetry 14 874 (2022)
  167. Stace T M Phys. Rev. A 82 011611 (2010)
  168. Campbell S et al New J. Phys. 19 103003 (2017)
  169. Rosenberg D et al Phys. Rev. A 71 061803 (2005)
  170. Fukuda D et al Opt. Express 19 870 (2011)
  171. Weng W et al Phys. Rev. Lett. 112 160801 (2014)
  172. Китаева Г Х и др ДАН СССР 247 586 (1979); Kitaeva G Kh et al Sov. Phys. Dokl. 24 564 (1979)
  173. Власенко М Ф, Китаева Г Х, Пенин А Н Квантовая электроника 7 441 (1980); Vlasenko M F, Kitaeva G Kh, Penin A N Sov. J. Quantum Electron. 10 252 (1980)
  174. Kitaeva G Kh et al Appl. Phys. B 116 929 (2014)
  175. Ge W et al Phys. Rev. Lett. 121 043604 (2018)
  176. Humphreys P C et al Phys. Rev. Lett. 111 070403 (2013)
  177. Pezzè L Nature Photon. 15 74 (2021)
  178. Gessner M, Smerzi A, Pezzè L Nat. Commun. 11 3817 (2020)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение