近日，我校地球物理與空間信息學院胡祥云教授帶領的“深地資源與電磁探測”研究團隊，與加拿大渥太華大學Lundeen實驗室、英國格拉斯哥大學Adetunmise Dada團隊，在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》）發表了題為“Enhancing interferometry using weak value amplification with real weak values”（基于實數弱值的弱值放大增強干涉測量方法）的學術論文。該研究提出了一種突破性的光學干涉測量方案，顯著提升了測量精度。胡祥云教授、Jeff S. Lundeen教授共同擔任通訊作者，論文第一作者為黃鯨琿博士，中國地質大學（武漢）為第一署名單位。
光學干涉測量技術作為精密測量的重要手段，在物理量檢測中發揮著關鍵作用。從Sagnac干涉儀檢測旋角速度，到Mach-Zehnder干涉儀探測折射率變化，再到Michelson干涉儀用于引力波探測，其核心原理都是將微小物理量轉換為光子時間延遲進行測量。干涉儀的測量精度主要受到技術噪聲和基本量子噪聲的限制。當前，盡管量子計量學方法（如糾纏光子或壓縮光）可以有效降低基本量子噪聲的影響，但在大多數干涉儀（包括科研領域的精密儀器）中，技術噪聲仍是主要的限制因素。
圖一 “弱值放大技術 + 干涉測量”原理圖和原理驗證實驗方案。
研究團隊創新性地將弱值放大技術與傳統干涉測量相結合，提出了一種全新的超靈敏干涉測量方案，可以顯著地抑制干涉儀中的技術噪聲。該“弱值放大技術 + 干涉測量”方法通過弱值放大增強干涉儀中兩條路徑之間的相對延遲，從而提高干涉測量的靈敏度和信噪比。如圖一所示，研究團隊進行了原理驗證實驗。該實驗在雙縫干涉儀中成功實現了阿秒級時間分辨率的光子時間延遲測量。特別值得關注的是，該方法突破了傳統測量對探測器時間分辨率的依賴，其測量精度主要受限于相干光源的本征散粒噪聲和減弱的實驗技術噪聲。實驗結果表明，與傳統測量方法相比，該方法可將測量信噪比提升一到兩個數量級（結果見圖二）。
圖二 實驗信噪比與散粒噪聲極限的比較。
圖中包括理論散粒噪聲極限（粗線）、實驗散粒噪聲極限（帶誤差條的數據點），以及實驗信噪比（帶統計誤差條的引導線和數據點）。其中，紅色、綠色和藍色分別對應不同的弱值放大技術設定，紫色數據代表傳統干涉儀方案。
該研究具有重要基礎物理研究價值和廣泛工程應用前景。一方面，盡管弱值放大技術在超靈敏縱向相位測量（即光子的時間延遲估計）中已取得顯著進展，但其應用受限于寬帶光源和高分辨率光譜儀的需求。本項研究的理論與實驗結果表明，即使在窄帶光源條件下，利用實數弱值仍可實現接近量子極限的光子時間延遲測量，為弱值放大技術的進一步推廣應用奠定了基礎。另一方面，傳統干涉測量技術主要依賴于路徑差測定，其精度受技術噪聲的限制。研究提出的方案為有效降低傳統干涉測量中的技術噪聲、測量精度在理論上逼近散粒噪聲極限成為可能。該方法在光學計量、量子光學、生物醫學成像、以及天體物理觀測等領域具有廣泛的應用潛力。
此外，該技術還可推廣應用于地球物理場觀測，例如弱地磁場測量、重力梯度探測、地震波探測等。團隊相關探索研究已在 Physical Review Letters、Physical Review A、Physical Review D、European Physical Journal A、Classical and Quantum Gravity 等國際權威期刊上發表論文十余篇。
本研究獲得國家自然科學基金委員會及國家留學基金委員會等機構的聯合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.080802
鄂公網安備 42011102004169號
