1Center for Quantum Optical Technologies, Center of New Technologies, University of Warsaw, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Lengyelország
2Varsói Egyetem Fizikai Kar, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Lengyelország
Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.
Absztrakt
Az optomechanikai rendszerek gyorsan a kvantumviselkedés megfigyelésének egyik legígéretesebb platformjává válnak, különösen makroszkopikus szinten. Sőt, a legkorszerűbb gyártási módszereiknek köszönhetően immár nemlineáris kölcsönhatások rezsimjébe léphetnek az alkotó mechanikai és optikai szabadságfokuk között. Ebben a munkában bemutatjuk, hogyan szolgálhat ez az új lehetőség az optomechanikai érzékelők új generációjának megalkotásához. A kanonikus optomechanikai beállítást úgy tekintjük, hogy a detektálási séma az üregből kiszivárgó fotonok időfelbontású számlálásán alapul. Szimulációk végrehajtásával és Bayes-i következtetésekkel megmutatjuk, hogy a detektált fotonok nem klasszikus korrelációi döntően javíthatják az érzékelő teljesítményét valós időben. Úgy gondoljuk, hogy munkánk új irányt ösztönözhet az ilyen eszközök tervezésében, miközben módszereink más, nemlineáris fény-anyag kölcsönhatásokat és fotondetektálást hasznosító platformokra is érvényesek.
Kiemelt kép: Utólagos eloszlások érzékelés alapján folyamatos fotonszámlálással.
Népszerű összefoglaló
Eközben a kvantumérzékelési feladatok rendszerének folyamatos monitorozását magában foglaló technikák rendkívül hatékonynak bizonyultak. Itt ahelyett, hogy a rendszert egy adott állapotban készítenék elő és egy optimális egyszeri mérést végeznének, a rendszert hagyják idővel fejlődni, és figyelik a kibocsátási statisztikáját. Ezáltal egy ismeretlen rendszerparaméter jól megbecsülhető, akár egyetlen kvantumpályáról is.
Itt kombináljuk ezt a két megfigyelést egy nemlineáris optomechanikai rendszer fotonstatisztikáinak felhasználásával az ismeretlen paraméterek, például az optomechanikai csatolási szilárdság becslésére. Látjuk, hogy a nemlineáris optomechanikai rendszer nem klasszikus statisztikái hogyan adnak kiváló eredményeket egyetlen kvantumpályáról, még viszonylag alacsony számú fotonkibocsátás mellett is. A Bayes-féle következtetés technikáit felhasználva utólagos eloszlást kaphatunk, és összehasonlíthatjuk az optimális egylövéses mérés érzékelési teljesítményével. Bemutatjuk, hogy a folyamatos monitorozású rendszerünk elegendő idő elteltével képes felülmúlni az egylövetű méréssel mért rendszert, és hasznos betekintést nyújt az optomechanikai eszközök lehetséges újszerű érzékelési sémáinak tervezésébe.
► BibTeX adatok
► Referenciák
[1] CK törvény, „A mozgó tükör és a sugárzási nyomás kölcsönhatása: Hamilton-féle megfogalmazás”, Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg és F. Marquardt, „Cvity optomechanics”, Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014a).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg és F. Marquardt, Cavity Optomechanics: Nano- and Micromechanical Resonators Interacting with Light (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen és GJ 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 és munkatársai: „A 10 kg-os objektum mozgási alapállapotának megközelítése”, Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko és P. Tombesi, „Ponderomotive control of quantum macroscopic koherencia”, Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs és PL Knight, „Preparation of nonclassical states in cavities with a mozgó tükör”, Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk és F. Marquardt, „Az üreges optomechanika alapelmélete” (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero és munkatársai, „Levitodynamics: Levitation and control of microscopic objects in vacuum”, Science 374, eabg3027 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns és munkatársai: „Kvantumszabályozás egy kriogén szabad térben optikailag levitált nanorészecskéhez”, Nature 595, 378 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel és munkatársai: „Optikailag levitált szubmikronos részecske üreges hűtése”, PNAS 110, 14180 (2013).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1309167110
[13] F. Brennecke és munkatársai, „Üreg optomechanika bose-einstein kondenzátummal”, Science 322, 235 (2008).
https:///doi.org/10.1126/science.1163218
[14] KW Murch és munkatársai, „Kvantummérési visszahatás megfigyelése ultrahideg atomgázzal”, Nature Phys 4, 561 (2008).
https:///doi.org/10.1038/nphys965
[15] DWC Brooks és munkatársai, „Nem klasszikus fény, amelyet kvantumzajvezérelt üreges optomechanika generált”, Nature 488, 476 (2012).
https:///doi.org/10.1038/nature11325
[16] M. Eichenfield és munkatársai, „Optomechanical crystals”, Nature 462, 78 (2009).
https:///doi.org/10.1038/nature08524
[17] J. Chan és munkatársai: „Nanomechanikus oszcillátor lézeres hűtése kvantum-alapállapotba”, Nature 478, 89 (2011).
https:///doi.org/10.1038/nature10461
[18] R. Riedinger és munkatársai: „Távoli kvantumösszefonódás két mikromechanikus oszcillátor között”, Nature 556, 473 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41586-018-0036-z
[19] DK Armani és munkatársai, „Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip”, Nature 421, 925 (2003).
https:///doi.org/10.1038/nature01371
[20] DJ Wilson és munkatársai, „Mechanikus oszcillátor mérésen alapuló vezérlése a termikus dekoherencia sebességével”, Nature 524, 325 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14672
[21] V. Sudhir és mtsai, „Appearance and lossing of kvantumkorrelations in mérés-alapú visszacsatolásos vezérlése mechanikus oszcillátorban”, Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi et al., „Measurement-based quantum control of mechanikus mozgás”, 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., „Observing and Verifying the Quantum Trajectory of a Mechanical Resonator”, Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter és munkatársai, „Valós idejű kalmánszűrő: Optikailag levitált nanorészecskék hűtése”, Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason et al., „Folyamatos erő- és elmozdulásmérés a szabványos kvantumhatár alatt”, Nat. Phys. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini és munkatársai: „A mechanikus mozgás valós idejű optimális kvantumszabályozása szobahőmérsékleten”, 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 és munkatársai, „Mikromechanikus oszcillátor alapállapotú hűtése: A hideg csillapítás és az üreggel segített hűtési sémák összehasonlítása”, Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae és mtsai, „Mechanikus rezonátorok üreges visszahatásos hűtése”, New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu et al., „Dynamic Dissipative Cooling of a Mechanical Resonator in Strong Coupling Optomechanics”, Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares és MGA Paris, Gauss-állapotok folytonos változó kvantuminformációban (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv:quant-ph/0503237
[34] SG Hofer és K. Hammerer, Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66., szerkesztette: E. Arimondo, CC Lin és SF Yelin (Academic Press, 2017) 263–374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell és munkatársai, „Mechanikus rezonátor kvantum alapállapota és egyfononvezérlése”, Nature 464, 697 (2010).
https:///doi.org/10.1038/nature08967
[36] K. Stannigel és munkatársai, „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 és munkatársai, „Nonlinear Quantum Optomechanics via Individual Intrinsic Two-Level Defects”, Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed és munkatársai, „A kvantuminformáció terjedésének hű átalakítása mechanikus mozgássá”, 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 és munkatársai, „Nemlineáris optomechanikai rendszerek optikai veszteséggel járó mesteregyenletek kezelése”, Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang et al., „Ultraefektív rezonátorok hűtése: Beating sideband cooling with quantum control”, Phys. Rev. Lett. 107, 177204 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm és munkatársai, „Optimal control of hybrid optomechanikai rendszerek nem klasszikus mechanikai mozgásállapotok generálására”, Quantum Sci. Technol. 4, 034001 (2019).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje és SM Girvin, „Single-photon optomechanics”, Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, „Fotonblokád hatás optomechanikai rendszerekben”, Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li és Y.-x. Liu, „Foton-indukált alagút optomechanikai rendszerekben”, Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig és F. Marquardt: „Optomechanikai rendszeren keresztül továbbított fénysugár teljes fotonstatisztikája”, Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes és A. Beige, „Quantum jump metrology”, Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort et al., „Gravimetry through non-linear optochanics”, Nat. Commun. 9, 1 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort et al., „Optimal estimation of Time-dependent gravitational fields with quantum optomechanikai rendszerek”, Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, A statisztikai jelfeldolgozás alapjai: Becsléselmélet (Prentice Hall, 1993).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/151045
[51] MGA Paris, „Quantum estimation for quantum technology”, Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https:///doi.org/10.1142/S0219749909004839
[52] JD Cohen és munkatársai, „Fononszámlálás és nanomechanikus rezonátor intenzitásinterferometriája”, Nature 520, 522 (2015).
https:///doi.org/10.1038/nature14349
[53] I. Galinskiy és munkatársai: „Ultrakoherens membránrezonátor fononszámlálási hőmérője a mozgásos alapállapot közelében”, 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 és K. Molmer: „Bayes-féle paraméterkövetkeztetés folyamatosan monitorozott kvantumrendszerekből”, Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio és A. Xuereb, „Optimal estimation of the optomechanical coupling szilárdság”, Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg és munkatársai, „Membrane-Based Scanning Force Microscopy”, Phys. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees és KL Bell, Bayes-i határok a paraméterbecsléshez és a nemlineáris szűréshez/követéshez (Wiley, 2007).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/1296178
[60] F. Albarelli és munkatársai, „A kvantummagnetometria végső határai idő-folyamatos mérésekkel”, New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa9840
[61] AH Kiilerich és K. Mølmer, „Atominterakciós paraméterek becslése fotonszámlálással”, Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić és MD Lukin, „Kvantum nemlineáris optika – foton fotonról”, Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https:///doi.org/10.1038/nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer és G. Rempe, „Üreg alapú kvantumhálózatok egyedi atomokkal és optikai fotonokkal”, Rev. Mod. Phys. 87, 1379 (2015).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel és munkatársai: „Kvantum nemlineáris optika egyetlen fotonnal, amelyet erősen kölcsönható atomok tesznek lehetővé”, Nature 488, 57 (2012).
https:///doi.org/10.1038/nature11361
[65] C. Möhl és munkatársai: „Fotonkorrelációs tranziensek egy gyengén blokkolt rydberg együttesben”, J. Phys. Denevér. Mol. Dönt. Phys. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad et al., „Fotonok korrelációja az optikai módhoz gyengén kapcsolt atomok kollektív nemlineáris válaszával”, Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s41566-020-0692-z
[67] C. Genes és munkatársai, „Mikromechanikus rezonátor robusztus összefonódása kimeneti optikai mezőkkel”, Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt és munkatársai, „Frequency-resolved photon correlations in cavity optochanics”, Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abe569
[69] K. Børkje, F. Massel és JGE Harris: „Nem klasszikus fotonstatisztika kéttónusú, folyamatosan hajtott optomechanikában”, Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer és 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 és K. Molmer: „Wave-function approach to disszipatív folyamatokhoz kvantumoptikában”, Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin és J. Dalibard, „Monte carlo hullámfüggvény módszer a kvantumoptikában”, J. Opt. Soc. Am. B 10, 524 (1993).
https:///doi.org/10.1364/JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, „Hogyan lehet visszaállítani egy atomot fotondetektálás után: Alkalmazások fotonszámlálási folyamatokhoz”, Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael: A kvantumoptika nyílt rendszerű megközelítése (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio és PL Knight, „A kvantum-ugrásos megközelítés a kvantumoptikában a disszipatív dinamikához”, Rev. Mod. Phys. 70, 101 (1998).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer és 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 és munkatársai, „Quantum entanglement”, Rev. Mod. Phys. 81, 865 (2009).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.865
[78] Gühne O. és Tóth G., „Entanglement detection”, Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner és 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 és munkatársai, „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, Asymptotic Statistics (Cambridge University Press, 1998).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511802256
[84] SL Braunstein és CM Caves, „Statisztikai távolság és a kvantumállapotok geometriája”, Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan és C.-HF Fung, „Quantum parameter estimation with general dynamics”, npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou és L. Jiang, „Pontos megfelelés a kvantum Fisher információ és a Bures metrika között”, arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark és K. Mølmer, „Fisher information and the quantum cramér-rao érzékenységi határa folyamatos méréseknél”, Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa és J. Kołodyński, „Noisy atomic magnetometry in real time”, New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala és F. Marquardt: „Az optomechanikai instabilitás a kvantumrendszerben”, New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Idézi
Nem sikerült lekérni Az adatok által hivatkozott kereszthivatkozás utolsó próbálkozáskor 2022-09-20 11:18:54: Nem sikerült lekérni a 10.22331/q-2022-09-20-812 hivatkozás által hivatkozott adatokat a Crossref-től. Ez normális, ha a DOI-t nemrég regisztrálták. Tovább SAO/NASA HIRDETÉSEK művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2022-09-20 11:18:54).
Ez a tanulmány a Quantumban jelent meg Creative Commons Nevezd meg 4.0 International (CC BY 4.0) engedély. A szerzői jog az eredeti szerzői jog tulajdonosainál marad, például a szerzőknél vagy intézményeiknél.
