量子传感中外差探测光谱的成像关联

光学腔输出场对微小量子尺度位移的非凡灵敏度带来了诸多突破，例如首次探测到引力波 \cite{LIGO,LIGODC} 以及量子基态冷却的机械振子的运动 \cite{Teufel2011,Chan2011}。虽然腔场的外差探测保留了提供机械振子已进入量子区间关键特征的不对称性，但探测光的旋转正交分量会平均掉重要的量子关联，导致信号比零差探测更弱、灵敏度更低。反过来，零差探测能探测单一光学正交分量，却丢失了重要的量子边带不对称性。在本文中，我们提出并在实验上验证了一项技术，该技术利用滤波函数对输出电流的自相关函数进行审慎构建，可以恢复丢失的关联（无论是经典的还是量子的），从而极大地增加提取的有用信息：滤波可补偿本振锁定相位的适度误差，允许对数百个不同的场正交分量进行高效的单次测量，并从简单的外差轨迹中快速映射出详细特征。人们还可以控制关联是孤立恢复还是与通常的稳态外差边带相干涉。在后一种情况下，我们获得了具有混合零差-外差特性的光谱，其运动边带的组合幅度可与零差探测相媲美。我们将这种利用滤波函数恢复丢失的外差关联称为 r-heterodyning：尽管在此是在热区间中进行研究的，但其鲁棒性和通用性代表了一种传感量子尺度位移的极具前景的新方法。