基于混合功率噪声抑制的千赫兹-兆赫兹宽带明亮压缩光生成及其在量子计量中的应用

为解决自由运转激光器技术噪声限制明亮压缩光生成的问题，研究人员开展了非经典功率稳定化理论与实验研究，提出融合无源稳定与有源反馈的混合噪声抑制新方案，成功将反馈带宽扩展至兆赫兹频段，额外实现9dB技术噪声抑制，最终在1mW功率下生成-5.5dB、带宽覆盖kHz-MHz的明亮压缩光。该突破为量子生物追踪、微腔力学传感等应用提供了关键光源支撑。

　　

在量子精密测量领域，压缩态光场因其能够突破标准量子极限的特性，已成为量子增强技术的核心资源。特别是在生物显微成像、微机械位移测量、光力耦合等应用中，不仅要求光场具备量子噪声抑制能力，还需满足毫瓦量级功率和千赫兹至兆赫兹宽带响应的双重需求。然而传统自由运转激光器存在显著的技术噪声，尤其在兆赫兹以下频段，严重制约了明亮压缩光的生成效率和带宽。

现有技术方案存在明显局限性：光学参量振荡器（OPO）通过真空场注入虽可产生压缩真空态，但输出功率极低；而基于分束器的被动干涉方案虽能制备明亮压缩光，但受限于真空噪声注入和技术噪声抑制深度，最大压缩度仅达-2.6dB（25μW）。主动反馈控制虽能提升噪声抑制能力，但其增益-带宽矛盾将压缩带宽限制在数十千赫兹以内。这些瓶颈使得现有技术无法同时满足高功率、宽带宽和强压缩度的应用需求。

针对这一挑战，李瑞欣等人通过理论创新与实验突破，在《Light-Science & Applications》发表了题为"Bright squeezed light in the kilohertz frequency band"的研究论文。团队开发了非经典功率稳定化的完整理论模型，提出融合无源稳定和有源反馈的混合噪声抑制新方案。该方案通过二次谐波发生器（SHG）的三步光子循环（TSPR）过程实现宽带被动稳定，再结合基于99:1分束器的非经典主动反馈，将技术噪声抑制至-166dB/Hz（较自由运转激光降低41dB），为兆赫兹宽带明亮压缩光的生成创造了关键条件。

研究采用的关键技术方法包括：基于周期性极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体的双共振光学参量振荡器制备-10.5dB压缩真空态；通过SHG非线性转换实现被动功率稳定；采用2MHz带宽比例-积分-微分（PID）控制器构建高速反馈环路；利用相干控制技术稳定压缩角；采用高量子效率光电探测器进行量子噪声表征。

在原理分析方面，研究团队建立了完整的噪声传递理论模型。公式推导表明，出环光束的振幅方差V_b(P_OOL)取决于压缩真空噪声方差V_ν、分束器反射率r以及相对技术噪声TN_OOL与相对散粒噪声RSN_OOL的比值。通过混合稳定技术，技术噪声可被抑制至远低于散粒噪声极限，使量子噪声成为主导因素。

实验装置包含三个核心单元：采用TSPR技术的混合噪声抑制系统、基于OPO的压缩真空产生单元以及明亮压缩态表征系统。1550nm连续波光纤激光器首先通过模式清洁器优化光束质量，500mW功率注入SHG产生775nm泵浦光，剩余110mW反射光作为被动稳定光束。关键创新在于将振幅调制器（AM）与99:1分束器集成，反射光路由环内探测器（il-PD）检测并生成误差信号，透射光作为出环应用光束。

实验结果显著：单独使用被动稳定时，在100μW功率下获得-6.5dB压缩光，带宽达1kHz-1MHz，但技术噪声限制进一步性能提升。采用混合稳定后，在1mW输出功率下实现了-5.5dB明亮压缩光，且带宽覆盖2kHz-1MHz频段。噪声分析表明，环内探测器电子噪声（-170dB/Hz）和VBS空端口引入的真空噪声成为主要限制因素。通过详细噪声预算分析，验证了理论模型与实验数据的高度一致性。

研究讨论指出，混合稳定方案继承了有源反馈的高噪声抑制能力和无源稳定的宽带特性。性能提升的主要限制因素来自探测器的饱和功率和电子噪声，以及PID控制器的带宽限制。通过优化分束比和技术噪声平衡，可进一步适应不同应用场景的需求。

该研究的重要意义在于：首次实现了毫瓦量级、兆赫兹宽带的明亮压缩光生成，解决了量子增强技术在生物传感、微机械测量等应用中面临的光源瓶颈问题；发展的混合噪声抑制理论为量子光学系统的噪声管理提供了新范式；研制的光源技术可直接应用于量子生物追踪、光力强耦合、量子辐射压力噪声抑制等前沿领域，为下一代量子增强技术的发展奠定了坚实基础。