1. 压缩光与量子噪声概述

在经典光学中，一束理想稳定激光的强度噪声可以趋近于零，相位也可以被无限精确地定义。但进入量子描述后，光场由量子态刻画，任何一对共轭物理量都不能同时具有确定值。压缩光（squeezed light）正是对这一限制的巧妙利用：它并不违反海森堡不确定性原理，而是在保持不确定性乘积不变的前提下，把某一正交分量的量子噪声压到散粒噪声极限以下，代价是另一正交分量的噪声被放大。

正交分量：压缩发生在哪个“方向”上

单模光场可用两个正交分量描述。若把电场写成 E(t) ∝ X₁cos(ωt) + X₂sin(ωt)，则 X₁ 与 X₂ 是一对共轭正交分量，分别对应振幅正交分量与相位正交分量。它们满足对易关系，因此有不确定性关系：

ΔX₁ · ΔX₂ ≥ 1   （取 ħ = 1/2 的归一化约定）

相干态（如理想激光）在两个正交分量上噪声相等，均为 ΔX₁ = ΔX₂ = 1，对应散粒噪声极限（shot noise limit, SNL）。压缩态则让其中一个分量满足 ΔX₁ < 1，另一个满足 ΔX₂ > 1，乘积仍不小于 1。通常用压缩度（dB）表示：10·log₁₀(ΔX²_squeezed / ΔX²_coherent)。例如 3 dB 压缩意味着该正交分量噪声功率降为散粒噪声的一半，6 dB 则降为四分之一。压缩的方向由泵浦与本地振荡器的相对相位决定，实验中通过扫描本地振荡器相位即可观察到噪声随相位呈周期性变化。

量子噪声从哪里来

量子噪声并非仪器缺陷，而是光场量子本质的体现。主要来源包括：

• 真空涨落：即使没有光子，真空态在每个正交分量上仍有 ΔX = 1 的零点涨落。它通过分束器、损耗或探测器耦合进入系统，是散粒噪声的根源。
• 散粒噪声：光子到达探测器的离散性导致光电流波动，在频域上表现为白噪声谱，是相干态探测的基准噪声。
• 技术噪声：激光强度抖动、温度漂移、机械振动、电子学噪声等，通常集中在低频段，可通过隔振、稳频和差分探测抑制。
• 损耗与额外噪声：光学损耗会把真空涨落重新混入，使压缩度退化；探测器效率不足也会等效为损耗。

理解这些来源，才能判断实验中测到的噪声是量子极限还是技术噪声主导。通常做法是先测量散粒噪声基准，再测量压缩光噪声，两者之比即为压缩度。

压缩光在量子计量与信息中的角色

压缩光最直接的价值是突破散粒噪声极限，提高相位测量灵敏度。在干涉仪中，相位灵敏度近似为 Δφ ≈ 1/(√N · √η)，其中 N 为光子数，η 为探测效率。注入压缩光后，等效噪声降低，灵敏度可提升 e^{-r} 倍（r 为压缩因子）。这一原理已应用于引力波探测（如 LIGO 注入频率相关压缩光）、原子钟、磁力计和量子成像。在量子信息中，压缩态是连续变量量子密钥分发、量子纠缠源和量子计算的重要资源。

课程整体路线图

本课程围绕“产生—测量—应用”三条主线展开。前半部分建立理论基础：量子噪声、正交分量、压缩态与相干态的关系，以及平衡零拍探测原理。中段进入实验实现：光学参量放大/振荡器（OPA/OPO）产生压缩，泵浦相位锁定，本地振荡器相位扫描，散粒噪声基准标定。后半部分聚焦测量与排障：频谱分析仪参数设置、噪声谱判读、损耗与相位失配的影响、常见异常（如压缩度偏低、噪声峰、基线漂移）的定位与处理。最终通过一个完整的压缩光产生与测量示例，把参数、操作和结果判断串成闭环。

学习本课程时，建议始终抓住两个参照：一是散粒噪声基准，二是本地振荡器相位。前者决定“压缩了多少”，后者决定“压缩在哪个方向”。只要这两点清晰，后续的实验操作和数据分析就有了统一的判断依据。