1Kvantoptiliste tehnoloogiate keskus, Varssavi ülikooli uute tehnoloogiate keskus, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Poola
2Varssavi ülikooli füüsikateaduskond, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Poola
Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.
Abstraktne
Optomehaanilised süsteemid on kiiresti muutumas üheks paljutõotavamaks platvormiks kvantkäitumise jälgimiseks, eriti makroskoopilisel tasandil. Lisaks võivad nad tänu oma kaasaegsetele valmistamismeetoditele siseneda mittelineaarsete interaktsioonide režiimidesse nende koostisosade mehaaniliste ja optiliste vabadusastmete vahel. Selles töös näitame, kuidas see uudne võimalus võib aidata luua uue põlvkonna optomehaanilisi andureid. Käsitleme kanoonilist optomehaanilist seadistust, mille tuvastamisskeem põhineb õõnsusest lekkivate footonite ajaliselt lahendatud loendamisel. Simulatsioone tehes ja Bayesi järeldusi kasutades näitame, et tuvastatud footonite mitteklassikalised korrelatsioonid võivad anduri jõudlust reaalajas oluliselt parandada. Usume, et meie töö võib stimuleerida uut suunda selliste seadmete kujundamisel, samas kui meie meetodid kehtivad ka muude platvormide puhul, mis kasutavad mittelineaarset valgusaine interaktsiooni ja footonite tuvastamist.
Esiletõstetud pilt: tagumised jaotused, mis põhinevad pideva footonite loendamisega tuvastamisel.
Populaarne kokkuvõte
Vahepeal on osutunud väga tõhusaks tehnikad, mis hõlmavad kvantanduri ülesannete süsteemi pidevat jälgimist. Süsteemi konkreetses olekus ettevalmistamise ja optimaalse ühekordse mõõtmise tegemise asemel lastakse süsteemil aja jooksul areneda ja jälgitakse selle heitkoguste statistikat. Seda tehes saab tundmatut süsteemiparameetrit hästi hinnata isegi ühe kvanttrajektoori põhjal.
Siin ühendame need kaks tähelepanekut, kasutades mittelineaarse optilise mehaanilise süsteemi footonstatistikat, et hinnata tundmatuid parameetreid, nagu optomehaaniline sidestustugevus. Näeme, kuidas mittelineaarse optomehaanilise süsteemi mitteklassikaline statistika annab suurepäraseid tulemusi ainult ühest kvanttrajektoorist isegi suhteliselt väikese footonite emissioonide korral. Kasutades Bayesi järelduse tehnikaid, saab saada tagumise jaotuse ja võrrelda seda optimaalse ühekordse mõõtmise tundlikkusega. Näitame, et pärast piisavat ajavahemikku on meie pidevalt jälgitav süsteem võimeline ületama ühekordse mõõtmisega mõõdetud süsteemi ja andma kasulikku teavet optomehhaaniliste seadmete potentsiaalsete uudsete andurskeemide kavandamise kohta.
► BibTeX-i andmed
► Viited
[1] CK seadus, "Liikuva peegli ja kiirgusrõhu vastastikmõju: Hamiltoni formulatsioon", Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg ja F. Marquardt, "Kavity optomechanics", Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014a).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg ja F. Marquardt, Cavity Optomechanics: Nano- and Micromechanical Resonators Interacting with Light (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] W. P. Bowen ja G. J. Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https:///doi.org/10.1201/b19379
[5] S. Barzanjeh et al., "Optomechanics for quantum technology", Nat. Phys. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle et al., „10-kg objekti liikumisseisundile lähenemine”, Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko ja P. Tombesi, "Ponderomotive control of quantum macroscopic coherence", Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs ja PL Knight, "Mitteklassikaliste olekute ettevalmistamine õõnsustes liikuva peegliga", Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk ja F. Marquardt, „Õõnsuse optomehaanika põhiteooria” (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero et al., "Levitodynamics: Levitation and control of microscopic objects in vacuum", Science 374, eabg3027 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns et al., "Krüogeenses vabas ruumis optiliselt leviteeritud nanoosakese kvantkontroll", Nature 595, 378 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel et al., "Optiliselt leviteeritud submikronosakese õõnsusjahutus", PNAS 110, 14180 (2013).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1309167110
[13] F. Brennecke et al., "Õõnsuse optomehaanika bose-einsteini kondensaadiga", Science 322, 235 (2008).
https:///doi.org/10.1126/science.1163218
[14] KW Murch et al., "Kvantmõõtmise tagasimõju vaatlemine ülikülma aatomigaasiga", Nature Phys 4, 561 (2008).
https:///doi.org/10.1038/nphys965
[15] DWC Brooks et al., "Kvantmüraga juhitud õõnsuse optomehaanika tekitatud mitteklassikaline valgus", 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., "Nanomehaanilise ostsillaatori laserjahutus kvantpõhiolekusse", Nature 478, 89 (2011).
https:///doi.org/10.1038/nature10461
[18] R. Riedinger jt, "Kaugkvantpõimumine kahe mikromehaanilise ostsillaatori vahel", 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., "Mehaanilise ostsillaatori mõõtmispõhine juhtimine selle termilise dekoherentsi kiirusega", Nature 524, 325 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14672
[21] V. Sudhir jt, "Kvantkorrelatsioonide ilmumine ja kadumine mehaanilise ostsillaatori mõõtmispõhises tagasiside juhtimises", Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi jt, „Mehaanilise liikumise mõõtmispõhine kvantkontroll”, 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., "Mehaanilise resonaatori kvanttrajektoori jälgimine ja kontrollimine", Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter et al., "Reaalajas kalmani filter: optiliselt leviteeritud nanoosakese jahutamine", Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason et al., "Jõu ja nihke pidev mõõtmine alla standardse kvantlimiidi", Nat. Phys. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini et al., "Reaalajas optimaalne mehaanilise liikumise kvantkontroll toatemperatuuril", 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., "Mikromehaanilise ostsillaatori maapealne jahutamine: külma summutamise ja õõnsusega toetatud jahutusskeemide võrdlemine", Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae et al., "Mehhaaniliste resonaatorite õõnsus-assisted backaction cooling", New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu et al., "Mehhaanilise resonaatori dünaamiline hajutav jahutamine tugeva sidumisoptomehaanika korral", Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares ja M. G. A. Paris, Gaussi olekud pidevas muutuvas kvantinformatsioonis (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv:quant-ph/0503237
[34] S. G. Hofer ja K. Hammerer, Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, toimetanud E. Arimondo, C. C. Lin ja S. F. Yelin (Academic Press, 2017) lk 263–374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell et al., „Mehhaanilise resonaatori kvant põhiolek ja ühe fonooni juhtimine”, Nature 464, 697 (2010).
https:///doi.org/10.1038/nature08967
[36] K. Stannigel et al., "Optomechanical Quantum Information Processing with footons and fononid", Phys. Rev. Lett. 109, 013603 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos et al., "Mittelineaarne kvantoptomehaanika individuaalsete sisemiste kahetasandiliste defektide kaudu", Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed et al., „Kvantinformatsiooni leviku ustav muundamine mehaaniliseks liikumiseks”, Nature Phys 13, 1163 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nphys4251
[39] JD Teufel et al., "Circuit cavity electromechanics in the strong-coupling mode", Nature 471, 204 (2011).
https:///doi.org/10.1038/nature09898
[40] S. Qvarfort et al., "Optilise kadudega mittelineaarsete optomehaaniliste süsteemide põhivõrrandi käsitlus", Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang et al., "Resonaatorite üliefektiivne jahutamine: külgriba jahutuse löömine kvantkontrolliga", Phys. Rev. Lett. 107, 177204 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm et al., "Optimaalne juhtimine hübriidsete optomehaaniliste süsteemide jaoks mehaanilise liikumise mitteklassikaliste olekute genereerimiseks", Quantum Sci. Technol. 4, 034001 (2019).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje ja SM Girvin, "Single-photon optomechanics", Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, "Fotonblokaadi efekt optomehaanilistes süsteemides", Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li ja Y.-x. Liu, "Foton-indutseeritud tunneldamine optomehaanilistes süsteemides", Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig ja F. Marquardt, "Optomehaanilise süsteemi kaudu edastatud valguskiire täielik footonstatistika", Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes ja A. Beige, "Quantum jump metrology", Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort et al., "Gravimeetria mittelineaarse optomehaanika kaudu", Nat. Commun. 9, 1 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort et al., "Ajast sõltuvate gravitatsiooniväljade optimaalne hindamine kvantoptomehaaniliste süsteemidega", Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013159
[50] S. M. Kay, Statistilise signaalitöötluse alused: hinnanguteooria (Prentice Hall, 1993).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/151045
[51] MGA Paris, "Kvanttehnoloogia kvanthinnang", Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https:///doi.org/10.1142/S0219749909004839
[52] JD Cohen et al., "Fonon counting and intensity interferometry of a nanomechanical resonator", Nature 520, 522 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14349
[53] I. Galinskiy et al., "Ultrakoherentse membraani resonaatori fononite loendustermomeetria selle liikuva põhioleku lähedal", Optica 7, 718 (2020).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi et al., "Optomechanical quantum teleportation", Nat. Footon. 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 ja K. Molmer, "Bayesi parameetrite järeldus pidevalt jälgitavatest kvantsüsteemidest", Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio ja A. Xuereb, "Optomechanical coupling tugevuse optimaalne hinnang", Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg et al., "Membraan-Based Scanning Force Microscopy", Phys. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] H. L. Van Trees ja K. L. Bell, Bayesi piirid parameetrite hindamiseks ja mittelineaarseks filtreerimiseks/jälgimiseks (Wiley, 2007).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/1296178
[60] F. Albarelli et al., "Ultimate limits for kvantmagnetometry via time-continuous mõõtes", New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa9840
[61] AH Kiilerich ja K. Mølmer, "Aatomi interaktsiooni parameetrite hindamine footonite loendamisega", Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić ja MD Lukin, “Kvantmittelineaarne optika – footon footoni kaupa”, Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https:///doi.org/10.1038/nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer ja G. Rempe, "Õõnsuspõhised kvantvõrgud üksikute aatomite ja optiliste footonitega", Rev. Mod. Phys. 87, 1379 (2015).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel et al., "Kvantmittelineaarne optika üksikute footonitega, mida võimaldavad tugevalt interakteeruvad aatomid", Nature 488, 57 (2012).
https:///doi.org/10.1038/nature11361
[65] C. Möhl et al., "Photon correlation transients in a well-blokaded rydberg ensemble", J. Phys. Nahkhiir. Mol. Opt. Phys. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad et al., "Phootonite korreleerimine optilise režiimiga nõrgalt ühendatud aatomite kollektiivse mittelineaarse reaktsiooni abil", Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s41566-020-0692-z
[67] C. Genes et al., "Mikromehaanilise resonaatori tugev põimumine optiliste väljundväljadega", Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt et al., „Frequency-resolved footon correlations in cavity optomechanics”, Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abe569
[69] K. Børkje, F. Massel ja JGE Harris, "Mitteklassikaline footonstatistika kahetoonilises pidevalt juhitavas optomehaanikas", Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer ja 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 ja K. Molmer, "Wave-function approach to dissipative process in quantum optics", Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin ja J. Dalibard, "Monte carlo lainefunktsiooni meetod kvantoptikas", J. Opt. Soc. Olen. B 10, 524 (1993).
https:///doi.org/10.1364/JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, "Kuidas lähtestada aatomit pärast footoni tuvastamist: rakendused footonite loendusprotsessides", 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 ja PL Knight, "Kvant-hüppe lähenemine hajutavale dünaamikale kvantoptikas", Rev. Mod. Phys. 70, 101 (1998).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer ja Y. Castin, "Monte Carlo lainefunktsioonid kvantoptikas", 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 ja G. Tóth, "Tanglement detection", Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner ja 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 Bayesi kvantfaasi hindamine", 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] A. W. van der Vaart, Asümptootiline statistika (Cambridge University Press, 1998).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511802256
[84] SL Braunstein ja CM Caves, "Statistiline kaugus ja kvantolekute geomeetria", Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan ja C.-HF Fung, "Kvantparameetrite hindamine üldise dünaamikaga", npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou ja L. Jiang, “Täpne vastavus Fisheri kvantteabe ja Buresi mõõdiku vahel”, arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark ja K. Mølmer, Fisheri teave ja pidevate mõõtmiste kvantkramér-rao tundlikkuse piir, Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa ja J. Kołodyński, "Mürakas aatomimagnetomeetria reaalajas", New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala ja F. Marquardt, "Optomehaaniline ebastabiilsus kvantrežiimis", New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Viidatud
Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2022-09-20 11:18:54: 10.22331/q-2022-09-20-812 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti. Peal SAO/NASA KUULUTUSED teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2022-09-20 11:18:54).
See raamat on avaldatud Quantum all Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsents. Autoriõigus jääb algsetele autoriõiguste valdajatele, näiteks autoritele või nende institutsioonidele.
