1Center for Quantum Optical Technologies, Center of New Technologies, University of Warszawa, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polen
2Det Fysiske Fakultet, Warszawa Universitet, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polen
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Optomekaniske systemer er hurtigt ved at blive en af de mest lovende platforme til at observere kvanteadfærd, især på det makroskopiske niveau. Desuden kan de, takket være deres avancerede fremstillingsmetoder, nu indgå i regimer af ikke-lineære interaktioner mellem deres konstituerende mekaniske og optiske frihedsgrader. I dette arbejde viser vi, hvordan denne nye mulighed kan tjene til at konstruere en ny generation af optomekaniske sensorer. Vi betragter den kanoniske optomekaniske opsætning, hvor detektionsskemaet er baseret på tidsopløst tælling af fotoner, der lækker fra hulrummet. Ved at udføre simuleringer og ty til Bayesiansk inferens demonstrerer vi, at de ikke-klassiske korrelationer af de detekterede fotoner kan forbedre sensorens ydeevne i realtid. Vi tror på, at vores arbejde kan stimulere en ny retning i designet af sådanne enheder, mens vores metoder også gælder for andre platforme, der udnytter ikke-lineære lys-stof-interaktioner og fotondetektion.
Udvalgt billede: Posteriore fordelinger baseret på sansning med kontinuerlig fotontælling.
Populært resumé
I mellemtiden har teknikker, der involverer kontinuerlig overvågning af et system til kvanteregistreringsopgaver, vist sig at være yderst effektive. Her får systemet lov til at udvikle sig over tid, og dets emissionsstatistikker overvåges i stedet for at forberede systemet i en bestemt tilstand og udføre en optimal enkeltskudsmåling. Ved at gøre det kan en ukendt systemparameter godt estimeres, selv fra en enkelt kvantebane.
Her kombinerer vi disse to observationer ved at bruge fotonstatistikken for et ikke-lineært optomekanisk system til at estimere ukendte parametre, såsom den optomekaniske koblingsstyrke. Vi ser, hvordan den ikke-klassiske statistik for det ikke-lineære optomekaniske system producerer fremragende resultater fra kun en enkelt kvantebane, selv med et relativt lavt antal fotonemissioner. Ved at bruge teknikkerne til Bayesiansk inferens kan en posterior fordeling opnås og sammenlignes med sanseydelsen af en optimal enkeltskudsmåling. Vi demonstrerer, at vores kontinuerligt overvågede system efter et tilstrækkeligt tidsrum er i stand til at udkonkurrere et system målt med en enkelt skudsmåling og giver nyttig indsigt i design af potentielle nye sensing-skemaer til optomekaniske enheder.
► BibTeX-data
► Referencer
[1] CK Law, "Interaktion mellem et bevægeligt spejl og strålingstryk: En Hamiltonsk formulering," Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg og F. Marquardt, "Cavity optomechanics," Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014a).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg og F. Marquardt, hulrumsoptomekanik: nano- og mikromekaniske resonatorer, der interagerer med lys (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen og GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https://doi.org/10.1201/b19379
[5] S. Barzanjeh, et al., "Optomekanik til kvanteteknologier," Nat. Phys. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle, et al., "At nærme sig den bevægelsesmæssige grundtilstand for et 10 kg-objekt," Science 372, 1333 (2021).
https://doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko og P. Tombesi, "Ponderomotiv kontrol af kvantemakroskopisk sammenhæng," Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs og PL Knight, "Forberedelse af ikke-klassiske tilstande i hulrum med et bevægeligt spejl," Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk og F. Marquardt, "Basic theory of cavity optomechanics," (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero, et al., "Levitodynamik: Levitation og kontrol af mikroskopiske objekter i vakuum," Science 374, eabg3027 (2021).
https://doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns, et al., "Kvantekontrol af en nanopartikel optisk leviteret i kryogent frit rum," Nature 595, 378 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel, et al., "Cavity cooling of an optically levitated submicron particle," PNAS 110, 14180 (2013).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1309167110
[13] F. Brennecke, et al., "Cavity optomechanics with a bose-einstein condensate," Science 322, 235 (2008).
https://doi.org/10.1126/science.1163218
[14] KW Murch, et al., "Observation af kvantemålings-tilbagevirkning med en ultrakold atomgas," Nature Phys 4, 561 (2008).
https://doi.org/10.1038/nphys965
[15] DWC Brooks, et al., "Ikke-klassisk lys genereret af kvantestøj-drevet hulrumsoptomekanik," Nature 488, 476 (2012).
https:///doi.org/10.1038/nature11325
[16] M. Eichenfield, et al., "Optomechanical crystals," Nature 462, 78 (2009).
https:///doi.org/10.1038/nature08524
[17] J. Chan, et al., "Laserkøling af en nanomekanisk oscillator til dens kvantegrundtilstand," Nature 478, 89 (2011).
https:///doi.org/10.1038/nature10461
[18] R. Riedinger, et al., "Fjern kvantesammenfiltring mellem to mikromekaniske oscillatorer," Nature 556, 473 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41586-018-0036-z
[19] DK Armani, et al., "Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip," Nature 421, 925 (2003).
https:///doi.org/10.1038/nature01371
[20] DJ Wilson, et al., "Målebaseret kontrol af en mekanisk oscillator ved dens termiske dekohærenshastighed," Nature 524, 325 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14672
[21] V. Sudhir, et al., "Udseende og forsvinden af kvantekorrelationer i målebaseret feedbackkontrol af en mekanisk oscillator," Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi, et al., "Målingsbaseret kvantekontrol af mekanisk bevægelse," Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa, et al., "Quantum-limited mirror-motion estimation," Phys. Rev. Lett. 111, 163602 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek, et al., "Optimal State Estimation for Cavity Optomechanical Systems," Phys. Rev. Lett. 114, 223601 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi, et al., "Observation og verificering af kvantebanen for en mekanisk resonator," Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter, et al., "Kalman-filter i realtid: Afkøling af en optisk leviteret nanopartikel," Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, et al., "Kontinuerlig kraft- og forskydningsmåling under standardkvantegrænsen," Nat. Phys. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini, et al., "Optimal kvantekontrol i realtid af mekanisk bevægelse ved stuetemperatur," Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali, et al., "Optomechanical Entanglement between a Movable Mirror and a Cavity Field," Phys. Rev. Lett. 98, 030405 (2007).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes, et al., "Ground-state køling af en mikromekanisk oscillator: Sammenligning af kold dæmpning og hulrum-assisteret køling skemaer," Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae, et al., "Cavity-assisted backaction cooling of mechanical resonators," New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu, et al., "Dynamisk dissipativ køling af en mekanisk resonator i stærk koblingsoptomekanik," Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares og MGA Paris, Gaussiske tilstande i kontinuerlig variabel kvanteinformation (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv:quant-ph/0503237
[34] SG Hofer og K. Hammerer, i Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, redigeret af E. Arimondo, CC Lin og SF Yelin (Academic Press, 2017) s. 263-374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell, et al., "Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator," Nature 464, 697 (2010).
https:///doi.org/10.1038/nature08967
[36] K. Stannigel, et al., "Optomechanical Quantum Information Processing with Photons and Phonons," Phys. Rev. Lett. 109, 013603 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos, et al., "Ikke-lineær kvanteoptomekanik via individuelle iboende to-niveaudefekter," Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed, et al., "Trofast konvertering af udbredende kvanteinformation til mekanisk bevægelse," Nature Phys 13, 1163 (2017).
https://doi.org/10.1038/nphys4251
[39] JD Teufel, et al., "Circuit cavity electromechanics in the strong-coupling regime," Nature 471, 204 (2011).
https:///doi.org/10.1038/nature09898
[40] S. Qvarfort, et al., "Master-equation treatment of ikke-lineære optomekaniske systemer med optisk tab," Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, et al., "Ultraeffektiv afkøling af resonatorer: Beating sideband cooling with quantum control," Phys. Rev. Lett. 107, 177204 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm, et al., "Optimal kontrol af hybride optomekaniske systemer til generering af ikke-klassiske tilstande af mekanisk bevægelse," Quantum Sci. Teknol. 4, 034001 (2019).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje og SM Girvin, "Single-photon optomechanics," Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, "Fotonblokadeeffekt i optomekaniske systemer," Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li og Y.-x. Liu, "Foto-induceret tunneling i optomekaniske systemer," Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig og F. Marquardt, "Fuld fotonstatistik af en lysstråle transmitteret gennem et optomekanisk system," Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes og A. Beige, "Quantum jump metrology," Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., "Gravimetri gennem ikke-lineær optomekanik," Nat. Commun. 9, 1 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort, et al., "Optimal estimering af tidsafhængige gravitationsfelter med kvanteoptomekaniske systemer," Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory (Prentice Hall, 1993).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/151045
[51] MGA Paris, "Quantesestimation for quantum technology," Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https:///doi.org/10.1142/S0219749909004839
[52] JD Cohen, et al., "Phonon counting and intensity interferometry of a nanomechanical resonator," Nature 520, 522 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14349
[53] I. Galinskiy, et al., "Phonontællingstermometri af en ultrakohærent membranresonator nær dens bevægelsesgrundtilstand," Optica 7, 718 (2020).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi, et al., "Optomechanical quantum teleportation," Nat. Foton. 15, 817 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41566-021-00866-z
[55] K. Jacobs, Quantum Measurement Theory and its Applications (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https:///doi.org/10.1017/CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark og K. Molmer, "Bayesiansk parameterinferens fra kontinuerligt overvågede kvantesystemer," Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio og A. Xuereb, "Optimal estimering af den optomekaniske koblingsstyrke," Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg, et al., "Membranbaseret scanningskraftmikroskopi," Phys. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees og KL Bell, Bayesianske grænser for parameterestimering og ikke-lineær filtrering/sporing (Wiley, 2007).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/1296178
[60] F. Albarelli, et al., "Ultimate grænser for kvantemagnetometri via tidskontinuerlige målinger," New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa9840
[61] AH Kiilerich og K. Mølmer, "Estimering af atomare interaktionsparametre ved fotontælling," Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić og MD Lukin, "Kvante ikke-lineær optik — foton for foton," Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https:///doi.org/10.1038/nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer og G. Rempe, "Cavity-baserede kvantenetværk med enkelte atomer og optiske fotoner," Rev. Mod. Phys. 87, 1379 (2015).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel, et al., "Kvante ikke-lineær optik med enkelte fotoner muliggjort af stærkt interagerende atomer," Nature 488, 57 (2012).
https:///doi.org/10.1038/nature11361
[65] C. Möhl, et al., "Fotonkorrelationstransienter i et svagt blokeret Rydberg-ensemble," J. Phys. B: Kl. Mol. Opt. Phys. 53, 084005 (2020).
https://doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad, et al., "Korrelering af fotoner ved hjælp af det kollektive ikke-lineære respons fra atomer, der er svagt koblet til en optisk tilstand," Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s41566-020-0692-z
[67] C. Genes, et al., "Robust sammenfiltring af en mikromekanisk resonator med optiske udgangsfelter," Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt, et al., "Frequency-resolved photon correlations in cavity optomechanics," Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/abe569
[69] K. Børkje, F. Massel og JGE Harris, "Ikke-klassisk fotonstatistik i to-tone kontinuerligt drevet optomekanik," Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer og F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University Press, 2002).
https:///doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin og K. Molmer, "Wave-funktion tilgang til dissipative processer i kvanteoptik," Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin og J. Dalibard, "Monte carlo wave-function method in quantum optics," J. Opt. Soc. Er. B 10, 524 (1993).
https:///doi.org/10.1364/JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, "Sådan nulstilles et atom efter en fotondetektion: Anvendelser til fotontællingsprocesser," Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael, An Open Systems Approach to Quantum Optics (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio og PL Knight, "The quantum-jump tilgang til dissipativ dynamik i kvanteoptik," Rev. Mod. Phys. 70, 101 (1998).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer og Y. Castin, "Monte Carlo wavefunctions in quantum optics," Quantum and Semiclassical Optics: Journal of the European Optical Society Part B 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] R. Horodecki, et al., "Quantum entanglement," Rev. Mod. Phys. 81, 865 (2009).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne og G. Tóth, "Entanglement detection," Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner og P. Zoller, Quantum Noise: A Handbook of Markovian and Non-Markovian Quantum Stochastic Methods with Applications to Quantum Optics (Springer Science & Business Media, 2004).
https://link.springer.com/book/9783540223016
[80] KP Murphy, Machine Learning: A Probabilistic Perspective (MIT Press, 2012).
https:///dl.acm.org/doi/book/10.5555/2380985
[81] Y. Li, et al., "Frequentist and Bayesian Quantum Phase Estimation," Entropy 20, 628 (2018).
https:///doi.org/10.3390/e20090628
[82] HL van Trees, Detection, Estimation and Modulation Theory, Vol. I (Wiley, 1968).
https:///doi.org/10.1002/0471221082
[83] AW van der Vaart, Asymptotisk statistik (Cambridge University Press, 1998).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511802256
[84] SL Braunstein og CM Caves, "Statistisk afstand og kvantetilstandes geometri," Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan og C.-HF Fung, "Quantum parameter estimering with general dynamics," npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou og L. Jiang, "En nøjagtig overensstemmelse mellem quantum Fisher-informationen og Bures-metrikken," arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark og K. Mølmer, "Fisher information and the quantum cramér-rao sensitivitetsgrænse for kontinuerlige målinger," Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa og J. Kołodyński, "Støjende atommagnetometri i realtid," New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala og F. Marquardt, "Den optomekaniske ustabilitet i kvanteregimet," New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Citeret af
Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2022-09-20 11:18:54: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2022-09-20-812 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig. På SAO/NASA ADS ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2022-09-20 11:18:54).
Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.
