近日，我校地球物理与空间信息学院胡祥云教授带领的“深地资源与电磁探测”研究团队，与加拿大渥太华大学Lundeen实验室、英国格拉斯哥大学Adetunmise Dada团队，在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）发表了题为“Enhancing interferometry using weak value amplification with real weak values”（基于实数弱值的弱值放大增强干涉测量方法）的学术论文。该研究提出了一种突破性的光学干涉测量方案，显著提升了测量精度。胡祥云教授、Jeff S. Lundeen教授共同担任通讯作者，论文第一作者为黄鲸珲博士，中国地质大学（武汉）为第一署名单位。
光学干涉测量技术作为精密测量的重要手段，在物理量检测中发挥着关键作用。从Sagnac干涉仪检测旋角速度，到Mach-Zehnder干涉仪探测折射率变化，再到Michelson干涉仪用于引力波探测，其核心原理都是将微小物理量转换为光子时间延迟进行测量。干涉仪的测量精度主要受到技术噪声和基本量子噪声的限制。当前，尽管量子计量学方法（如纠缠光子或压缩光）可以有效降低基本量子噪声的影响，但在大多数干涉仪（包括科研领域的精密仪器）中，技术噪声仍是主要的限制因素。
图一 “弱值放大技术 + 干涉测量”原理图和原理验证实验方案。
研究团队创新性地将弱值放大技术与传统干涉测量相结合，提出了一种全新的超灵敏干涉测量方案，可以显著地抑制干涉仪中的技术噪声。该“弱值放大技术 + 干涉测量”方法通过弱值放大增强干涉仪中两条路径之间的相对延迟，从而提高干涉测量的灵敏度和信噪比。如图一所示，研究团队进行了原理验证实验。该实验在双缝干涉仪中成功实现了阿秒级时间分辨率的光子时间延迟测量。特别值得关注的是，该方法突破了传统测量对探测器时间分辨率的依赖，其测量精度主要受限于相干光源的本征散粒噪声和减弱的实验技术噪声。实验结果表明，与传统测量方法相比，该方法可将测量信噪比提升一到两个数量级（结果见图二）。
图二 实验信噪比与散粒噪声极限的比较。
图中包括理论散粒噪声极限（粗线）、实验散粒噪声极限（带误差条的数据点），以及实验信噪比（带统计误差条的引导线和数据点）。其中，红色、绿色和蓝色分别对应不同的弱值放大技术设定，紫色数据代表传统干涉仪方案。
该研究具有重要基础物理研究价值和广泛工程应用前景。一方面，尽管弱值放大技术在超灵敏纵向相位测量（即光子的时间延迟估计）中已取得显著进展，但其应用受限于宽带光源和高分辨率光谱仪的需求。本项研究的理论与实验结果表明，即使在窄带光源条件下，利用实数弱值仍可实现接近量子极限的光子时间延迟测量，为弱值放大技术的进一步推广应用奠定了基础。另一方面，传统干涉测量技术主要依赖于路径差测定，其精度受技术噪声的限制。研究提出的方案为有效降低传统干涉测量中的技术噪声、测量精度在理论上逼近散粒噪声极限成为可能。该方法在光学计量、量子光学、生物医学成像、以及天体物理观测等领域具有广泛的应用潜力。
此外，该技术还可推广应用于地球物理场观测，例如弱地磁场测量、重力梯度探测、地震波探测等。团队相关探索研究已在 Physical Review Letters、Physical Review A、Physical Review D、European Physical Journal A、Classical and Quantum Gravity 等国际权威期刊上发表论文十余篇。
本研究获得国家自然科学基金委员会及国家留学基金委员会等机构的联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.080802
（地球物理与空间信息学院 来稿）
