CN108919285A - 基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距*** - Google Patents

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姜继玉
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Abstract

本发明涉及的是基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***，它由量子态制备***、发射和接收***、量子态相干探测***、计算机综合分析***构成，量子源产生相干叠加激光量子态，激光器产生相干激光量子态，上述两种激光量子态通过第一50:50光束分数器干涉得到纠缠相干态；探测信号由光学发射***发射出去并照射目标，回波信号由光学接收***进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器处进行干涉，此干涉信号内携带目标的距离信息，该干涉信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析***进行综合分析，给出目标的距离信息。本发明实现了信号的超分辨率和超灵敏度测量的目标。

Description

基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***
技术领域：
本发明涉及激光干涉技术，具体涉及基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***。
背景技术：
干涉是物理学中重要的测量技术之一。干涉的目标是对感兴趣的物理量进行高精度估计，正常情况下这个物理量是干涉仪一个臂上聚集的相位。增强型相位估计使得许多研究领域受益，这些领域包括量子度量、成像和传感等。非经典态能够增强成像的空间分辨率，非经典态能够提高测距***的距离分辨率和测距精度，非经典光学量子态还能够突破经典衍射或者散弹噪声限。量子纠缠优势的现实意义导致了人们发展量子传感器、量子激光雷达和量子微波雷达理论。
利用量子现象提高经典激光雷达性能是一种新的研究典范，这种类型激光雷达就是人们通常所说的量子激光雷达或者量子增强激光雷达。它们中的多数是相干(或者是干涉)探测型激光雷达，而不是直接探测型激光雷达。干涉型量子激光雷达狭窄的干涉条纹(超分辨)特征是非常有用的，例如，在小回波功率的激光雷达测距或者激光多普勒测速***中，可以锁定这种窄条纹特征，然后利用负反馈***监视条纹如何随着时间变化，进而探测目标的距离或速度。根据目前的文献报道量子激光雷达有两种：一种是基于最大纠缠双光子态实现超分辨率和超灵敏度的量子激光雷达；另一种利用相干态光子和量子探测方案或量子策略来突破瑞利衍射极限。然而，纠缠双光子态对损耗极为灵敏，在损耗干涉仪中，随着损耗光子数的增加，纠缠双光子态的相位测量精度由海森堡极限过度到散弹噪声极限，且制备此量子态十分困难，所有这些使得以纠缠双光子态作为光源的量子激光雷达很难得到实际应用。
利用普通的激光脉冲信号照射敌方目标后，回波信号的分辨率为瑞利衍射极限，灵敏度为散弹噪声极限，即经典探测极限。
发明内容：
本发明的目的是提供基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***，这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***用于解决了分辨率和灵敏度受经典极限限制问题，实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率和亚散弹噪声极限的灵敏度的距离探测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***由量子态制备***、发射和接收***、量子态相干探测***、计算机综合分析***构成，量子态制备***包括量子源、激光器、第一50:50光束分数器；发射和接收***包括光学发射***、光学接收***；量子态相干探测***包括两个光子数分辨探测器；量子源产生相干叠加激光量子态，激光器产生相干激光量子态CS，上述两种激光量子态通过第一50:50光束分数器干涉从而得到纠缠相干态，纠缠相干态是双模路径纠缠量子态，其中一个模式的量子态作为探测信号，另一个模式的量子态作为参考信号； 探测信号由光学发射***发射出去并照射目标，探测信号在传播过程中产生相移，此相移对应着目标的距离信息，相移用相移器表征；两个路径上的量子态经历的损耗分别虚拟光束分数器表示；回波信号由光学接收***进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器处进行干涉，此干涉信号内携带目标的距离信息，该干涉信号由光子数分辨探测器利用奇偶探测方法将光信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析***进行综合分析，给出目标的距离信息，目标的距离信息包括分辨率、灵敏度。
有益效果：
1、本发明采用纠缠相干态量子源和二值输出奇偶光子计数探测方法，实现了超过瑞利极限的分辨率测量，即实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率；信号的灵敏度突破了散弹噪声极限，即实现了亚散弹噪声极限的信号探测。
2、本发明在损耗环境下，信号的分辨率和灵敏度仍然优于同样损耗条件下的相干态源信号，因此，本发明对实际激光雷达***而言具有现实意义。研究结果表明：在实际有损耗的环境中，本发明的回波信号的分辨率和灵敏度都远远高于传统是传统相干态源激光雷达信号，即实现了信号的超分辨率和超灵敏度测量的目标。
3、利用普通的激光脉冲信号照射敌方目标后，回波信号的分辨率为瑞利衍射极限，灵敏度为散弹噪声极限，即经典探测极限。本发明采用纠缠相干态量子源和奇偶光子计数探测方法，解决了分辨率和灵敏度受经典极限限制问题，实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率和亚散弹噪声极限的灵敏度的距离探测。
附图说明：
图1是本发明的结构原理示意图。
图2不同光子数的纠缠相干态奇偶信号随着相位的变化曲线。
图3:(a) 纠缠相干态信号的分辨率随透过率的变化关系；(b) 由费雪信息决定的灵敏度与透过率的关系。
图中：1量子源；2第一50:50光束分数器；3激光器；4光学发射***；5第一虚拟光束分数器；6目标；7光学接收***；8相移器；9第二50:50光束分数器；10第二虚拟光束分数器；11计算机综合分析***；12光子数分辨探测器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1所示，这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***由量子态制备***、发射和接收***、量子态相干探测***、计算机综合分析***11构成，量子态制备***包括量子源1、激光器3、第一50:50光束分数器2，量子态制备***实现态的制备功能。发射和接收***包括光学发射***4、光学接收***7，发射和接收***对信号进行传输和接收。量子态相干探测***包括两个光子数分辨探测器12，量子态相干探测***对信号实施二值输出奇偶光子计数探测。计算机综合分析***11对探测器输出信号进行综合分析，最终给出被探测距离和相应的分辨率和灵敏度参数。
量子源1产生相干叠加激光量子态CSS （Coherent Superposition State），激光器3产生相干激光量子态CS（Coherent State），这两种激光量子态通过第一50:50光束分数器2干涉从而得到纠缠相干态，纠缠相干态是双模路径纠缠量子态，其中一个模式的量子态（图1中水平路径中的量子态）作为探测信号，另一个模式的量子态（图1中竖直路径中的量子态）作为参考信号。探测信号由光学发射***4发射出去并照射目标6。探测信号在传播过程中会产生相移，此相移对应着目标6的距离信息，相移用相移器8表征。两个路径上的量子态都会经历损耗，此损耗在两个路径中分别用第一虚拟光束分数器5和第二虚拟光束分数器10表示。回波信号由光学接收***7进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器9处进行干涉，此干涉信号内携带目标6的距离信息。最后，该干涉信号由光子数分辨探测器12利用奇偶探测方法将光信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析***11进行综合分析，给出目标6的距离信息，分辨率和灵敏度等性能参数。研究结果表明：在实际有损耗的环境中，本方案的回波信号的分辨率和灵敏度都远远高于传统是传统相干态源激光雷达信号，即实现了信号的超分辨率和超灵敏度测量的目标。
利用普通的激光脉冲信号照射敌方目标后，回波信号的分辨率为瑞利衍射极限，灵敏度为散弹噪声极限。本方案采用纠缠相干态量子源和二值输出奇偶光子计数探测方法，实现了超过瑞利极限的分辨率测量，即实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率；信号的灵敏度突破了散弹噪声极限，即实现了亚散弹噪声极限的信号探测。本发明在损耗环境下，信号的分辨率和灵敏度仍然优于同样损耗条件下的相干态源信号，因此，本发明对实际激光雷达***而言具有现实意义。
非经典态能够提高传感***的分辨率和灵敏度，本发明提出利用纠缠相干态作为激光雷达的信号源提高***的测距分辨率和灵敏度。研究表明：在实际环境中，纠缠相干态信号的分辨率总是优于相干态，灵敏度都高于相干态的相位测量灵敏度，实现了超分辨率和超灵敏度距离探测的目标。
图2不同光子数的纠缠相干态奇偶信号随着相位的变化曲线, 其中的光子数分别为N=9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100。图中点划线a表示相干态的归一化强度信号，而实线b是相干态的奇偶信号，虚线c是纠缠相干态的二值输出奇偶信号，分辨率 是指相邻的波谷间的相位差。
从图2可以看出，如果回波光子数的方根是，则纠缠相干态奇偶信号的分辨率比同样探测方式下的相干态奇偶信号分辨率提高倍倍，比传统相干态强度差探测信号分辨率提高N倍，即N重超分辨率。
图3. (a) 纠缠相干态信号的分辨率随透过率的变化关系；(b) 由费雪信息决定的灵敏度与透过率的关系。ECS点虚线代表纠缠相干态，CS虚线代表相干态。
从图3可知：纠缠相干态信号的分辨率总是优于相干态。在整个损耗区域内纠缠相干态的相位测量灵敏度都高于相干态的相位测量灵敏度。

Claims (1)

1.一种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***，其特征是：这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距***由量子态制备***、发射和接收***、量子态相干探测***、计算机综合分析***（11）构成，量子态制备***包括量子源（1）、激光器（3）、第一50:50光束分数器（2）；发射和接收***包括光学发射***（4）、光学接收***（7）；量子态相干探测***包括两个光子数分辨探测器（12）；量子源（1）产生相干叠加激光量子态，激光器（3）产生相干激光量子态CS，上述两种激光量子态通过第一50:50光束分数器（2）干涉从而得到纠缠相干态，纠缠相干态是双模路径纠缠量子态，其中一个模式的量子态作为探测信号，另一个模式的量子态作为参考信号； 探测信号由光学发射***（4）发射出去并照射目标（6），探测信号在传播过程中产生相移，此相移对应着目标（6）的距离信息，相移用相移器（8）表征；两个路径上的量子态经历的损耗分别虚拟光束分数器表示；回波信号由光学接收***（7）进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器（9）处进行干涉，此干涉信号内携带目标（6）的距离信息，该干涉信号由光子数分辨探测器（12）利用奇偶探测方法将光信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析***（11）进行综合分析，给出目标（6）的距离信息，目标（6）的距离信息包括分辨率、灵敏度。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865385A (zh) * 2019-11-22 2020-03-06 东北石油大学 相干叠加态源超分辨率量子测距***
CN112363177A (zh) * 2020-10-26 2021-02-12 哈尔滨工业大学 基于相邻像元纠缠调控滤噪的光子计数激光雷达
CN113050068A (zh) * 2021-03-31 2021-06-29 北京环境特性研究所 一种纠缠光的回波探测方法及回波探测装置
CN116400369A (zh) * 2023-05-18 2023-07-07 浙江大学 基于量子诱导相干的探测方法及装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103675801A (zh) * 2013-12-02 2014-03-26 上海交通大学 基于量子纠缠光的导航测距***及其实现方法
US20160209497A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 Raytheon Bbn Technologies Corp. System and method for authenticated interrogation of a target with quantum entanglement
CN106289049A (zh) * 2016-07-21 2017-01-04 哈尔滨工业大学 基于压缩真空态注入的量子干涉测量装置及方法
CN106289050A (zh) * 2016-07-21 2017-01-04 哈尔滨工业大学 一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量***及方法
CN106707263A (zh) * 2017-01-18 2017-05-24 浙江神州量子网络科技有限公司 基于连续变量的量子雷达及其处理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103675801A (zh) * 2013-12-02 2014-03-26 上海交通大学 基于量子纠缠光的导航测距***及其实现方法
US20160209497A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 Raytheon Bbn Technologies Corp. System and method for authenticated interrogation of a target with quantum entanglement
CN106289049A (zh) * 2016-07-21 2017-01-04 哈尔滨工业大学 基于压缩真空态注入的量子干涉测量装置及方法
CN106289050A (zh) * 2016-07-21 2017-01-04 哈尔滨工业大学 一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量***及方法
CN106707263A (zh) * 2017-01-18 2017-05-24 浙江神州量子网络科技有限公司 基于连续变量的量子雷达及其处理方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王强: "量子激光雷达探测方式和性能提高的研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865385A (zh) * 2019-11-22 2020-03-06 东北石油大学 相干叠加态源超分辨率量子测距***
CN112363177A (zh) * 2020-10-26 2021-02-12 哈尔滨工业大学 基于相邻像元纠缠调控滤噪的光子计数激光雷达
CN112363177B (zh) * 2020-10-26 2022-08-05 哈尔滨工业大学 基于相邻像元纠缠调控滤噪的光子计数激光雷达
CN113050068A (zh) * 2021-03-31 2021-06-29 北京环境特性研究所 一种纠缠光的回波探测方法及回波探测装置
CN113050068B (zh) * 2021-03-31 2023-10-03 北京环境特性研究所 一种纠缠光的回波探测方法及回波探测装置
CN116400369A (zh) * 2023-05-18 2023-07-07 浙江大学 基于量子诱导相干的探测方法及装置
CN116400369B (zh) * 2023-05-18 2024-05-24 浙江大学 基于量子诱导相干的探测方法及装置

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