1Pusat Teknologi Optik Quantum, Pusat Teknologi Baru, Universitas Warsawa, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polandia
2Fakultas Fisika, Universitas Warsawa, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polandia
Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.
Abstrak
Sistem optomekanik dengan cepat menjadi salah satu platform yang paling menjanjikan untuk mengamati perilaku kuantum, terutama pada tingkat makroskopik. Selain itu, berkat metode fabrikasi canggih mereka, mereka sekarang dapat memasuki rezim interaksi non-linier antara derajat kebebasan mekanis dan optik penyusunnya. Dalam karya ini, kami menunjukkan bagaimana peluang baru ini dapat berfungsi untuk membangun generasi baru sensor optomekanis. Kami mempertimbangkan pengaturan optomekanis kanonik dengan skema deteksi yang didasarkan pada penghitungan foton yang bocor dari rongga. Dengan melakukan simulasi dan menggunakan inferensi Bayesian, kami menunjukkan bahwa korelasi non-klasik dari foton yang terdeteksi dapat sangat meningkatkan kinerja sensor secara real time. Kami percaya bahwa pekerjaan kami dapat merangsang arah baru dalam desain perangkat tersebut, sementara metode kami berlaku juga untuk platform lain yang mengeksploitasi interaksi materi cahaya non-linier dan deteksi foton.
Gambar unggulan: Distribusi posterior berdasarkan penginderaan dengan penghitungan foton berkelanjutan.
Ringkasan populer
Sementara itu, teknik yang melibatkan pemantauan terus menerus dari sistem untuk tugas penginderaan kuantum telah terbukti sangat efektif. Di sini, alih-alih menyiapkan sistem dalam keadaan tertentu dan melakukan pengukuran satu bidikan yang optimal, sistem dibiarkan berkembang dari waktu ke waktu dan statistik emisinya dipantau. Dengan demikian, parameter sistem yang tidak diketahui dapat diperkirakan dengan baik, bahkan dari lintasan kuantum tunggal.
Di sini, kami menggabungkan dua pengamatan ini dengan menggunakan statistik foton dari sistem optomekanis non-linier untuk memperkirakan parameter yang tidak diketahui, seperti kekuatan kopling optomekanik. Kami melihat bagaimana statistik non-klasik dari sistem optomekanis non-linier menghasilkan hasil yang sangat baik hanya dari satu lintasan kuantum, bahkan dengan jumlah emisi foton yang relatif rendah. Memanfaatkan teknik inferensi Bayesian, distribusi posterior dapat diperoleh dan dibandingkan dengan kinerja penginderaan dari pengukuran single-shot yang optimal. Kami menunjukkan bahwa setelah jangka waktu yang cukup, sistem pemantauan berkelanjutan kami mampu mengungguli sistem yang diukur dengan pengukuran satu bidikan, dan memberikan wawasan yang berguna dalam merancang skema penginderaan baru yang potensial untuk perangkat optomekanis.
► data BibTeX
► Referensi
[1] Hukum CK, "Interaksi antara cermin yang bergerak dan tekanan radiasi: Formulasi Hamilton," Phys. Wahyu A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg, dan F. Marquardt, “Optomekanik rongga,” Rev. Mod. fisik. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg, dan F. Marquardt, Optomekanika Rongga: Resonator Nano dan Mikromekanis Berinteraksi dengan Cahaya (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen dan GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] S. Barzanjeh, dkk., "Optomekanika untuk teknologi kuantum," Nat. fisik. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle, et al., "Mendekati keadaan dasar gerak dari objek 10 kg," Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko, dan P. Tombesi, "Kontrol Ponderomotive koherensi makroskopik kuantum," Phys. Pdt. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs, dan PL Knight, "Persiapan keadaan nonklasik dalam rongga dengan cermin bergerak," Phys. Pdt. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk dan F. Marquardt, "Teori dasar optomekanik rongga," (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., "Kontrol kuantum dari nanopartikel optik melayang di ruang bebas kriogenik," Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel, et al., "Pendinginan rongga dari partikel submikron yang diangkat secara optik," PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] F. Brennecke, et al., "Otomekanika rongga dengan kondensat bose-einstein," Science 322, 235 (2008).
https:///doi.org/10.1126/science.1163218
[14] KW Murch, et al., "Pengamatan aksi balik pengukuran kuantum dengan gas atom ultradingin," Nature Phys 4, 561 (2008).
https:///doi.org/10.1038/nphys965
[15] DWC Brooks, et al., "Cahaya non-klasik yang dihasilkan oleh optomekanik rongga yang digerakkan oleh kebisingan kuantum," Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] M. Eichenfield, dkk., "Kristal optomekanis," Alam 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] J. Chan, et al., "Laser pendinginan osilator nanomekanis ke dalam keadaan dasar kuantumnya," Alam 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] R. Riedinger, et al., “Keterjeratan kuantum jarak jauh antara dua osilator mikromekanis,” Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] DK Armani, dkk., “Mikrokavitas toroida ultra-tinggi-Q pada sebuah chip,” Nature 421 (925).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson, et al., "Pengukuran berbasis kontrol osilator mekanik pada tingkat dekoherensi termal," Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir, et al., "Penampilan dan hilangnya korelasi kuantum dalam kontrol umpan balik berbasis pengukuran dari osilator mekanik," Phys. Wahyu X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi, et al., "Pengukuran berbasis kontrol kuantum gerak mekanik," Alam 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa, dkk., “Estimasi gerak cermin terbatas kuantum,” Phys. Pdt. Lett. 111, 163602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek, et al., "Estimasi Keadaan Optimal untuk Sistem Optomekanis Rongga," Phys. Pdt. Lett. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi, dkk., "Mengamati dan Memverifikasi Lintasan Kuantum Resonator Mekanik," Phys. Pdt. Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter, et al., "Filter kalman real-time: Pendinginan nanopartikel yang diangkat secara optik," Phys. Wahyu A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, dkk., "Pengukuran gaya dan perpindahan terus menerus di bawah batas kuantum standar," Nat. fisik. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini, et al., "Kontrol kuantum optimal real-time dari gerakan mekanis pada suhu kamar," Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali, et al., "Keterikatan Optomekanis antara Cermin Bergerak dan Bidang Rongga," Phys. Pdt. Lett. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes, et al., “Pendinginan keadaan dasar dari osilator mikromekanis: Membandingkan redaman dingin dan skema pendinginan yang dibantu rongga,” Phys. Wahyu A 77, 033804 (2008a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae, dkk., "Pendinginan aksi balik yang dibantu rongga dari resonator mekanis," New J. Phys. 10 (095007).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu, et al., "Pendinginan Disipatif Dinamis dari Resonator Mekanik di Optomekanik Kopling Kuat," Phys. Pdt. Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares, dan MGA Paris, Gaussian menyatakan dalam informasi kuantum variabel kontinu (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: quant-ph / 0503237
[34] SG Hofer dan K. Hammerer, dalam Kemajuan Dalam Fisika Atom, Molekuler, dan Optik, Vol. 66, diedit oleh E. Arimondo, CC Lin, dan SF Yelin (Academic Press, 2017) hlm. 263–374.
https: / / doi.org/ 10.1016 / bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell, et al., "Keadaan dasar kuantum dan kontrol fonon tunggal dari resonator mekanis," Alam 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] K. Stannigel, et al., "Pemrosesan Informasi Kuantum Optomekanis dengan Foton dan Phonon," Phys. Pdt. Lett. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos, et al., "Otomekanika Kuantum Nonlinier melalui Cacat Dua Tingkat Intrinsik Individu," Phys. Pdt. Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed, et al., "Konversi yang tepat dalam menyebarkan informasi kuantum ke gerakan mekanis," Nature Phys 13, 1163 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nphys4251
[39] JD Teufel, et al., "Elektromekanika rongga sirkuit dalam rezim kopling kuat," Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] S. Qvarfort, et al., "Perlakuan persamaan master sistem optomekanis nonlinier dengan kehilangan optik," Phys. Wahyu A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, dkk., “Pendinginan resonator yang sangat efisien: Mengalahkan pendinginan sideband dengan kontrol kuantum,” Phys. Pdt. Lett. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm, et al., "Kontrol optimal sistem optomekanis hibrida untuk menghasilkan keadaan gerak mekanis non-klasik," Quantum Sci. teknologi. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje, dan SM Girvin, "Optomekanik foton tunggal," Phys. Pdt. Lett. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, "Efek blokade foton dalam sistem optomekanis," Phys. Pdt. Lett. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li, dan Y.-x. Liu, "Penerowongan yang diinduksi foton dalam sistem optomekanis," Phys. Wahyu A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig, dan F. Marquardt, "Statistik foton penuh dari berkas cahaya yang ditransmisikan melalui sistem optomekanis," Phys. Wahyu A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes, dan A. Beige, "Metrologi lompat kuantum," Phys. Wahyu A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., "Gravimetri melalui optomekanik non-linear," Nat. komuni. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort, et al., "Estimasi optimal medan gravitasi yang bergantung pada waktu dengan sistem optomekanis kuantum," Phys. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Dasar-dasar Pemrosesan Sinyal Statistik: Teori Estimasi (Prentice Hall, 1993).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 151045
[51] MGA Paris, "Estimasi kuantum untuk teknologi kuantum," Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] JD Cohen, et al., "Penghitungan phonon dan interferometri intensitas dari resonator nanomekanis," Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] I. Galinskiy, et al., "Termometri penghitungan phonon dari resonator membran ultrakoheren di dekat keadaan dasar geraknya," Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi, dkk., "Teleportasi kuantum optomekanis," Nat. foton. 15, 817 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z
[55] K. Jacobs, Teori Pengukuran Kuantum dan Aplikasinya (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark dan K. Molmer, "Inferensi parameter Bayesian dari sistem kuantum yang dipantau terus-menerus," Phys. Wahyu A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio, dan A. Xuereb, "Estimasi optimal kekuatan kopling optomekanis," Phys. Wahyu A 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg, dkk., "Mikroskopi Kekuatan Pemindaian Berbasis Membran," Phys. Pdt. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees dan KL Bell, Bayesian Bounds untuk Estimasi Parameter dan Penyaringan/Pelacakan Nonlinier (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178
[60] F. Albarelli, et al., "Batas akhir untuk magnetometri kuantum melalui pengukuran kontinu waktu," New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich dan K. Mølmer, "Estimasi parameter interaksi atom dengan penghitungan foton," Phys. Wahyu A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić, dan MD Lukin, "Optik kuantum nonlinier — foton oleh foton," Nat. Fotonik 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer dan G. Rempe, “Jaringan kuantum berbasis rongga dengan atom tunggal dan foton optik,” Rev. Mod. fisik. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel, et al., "Optik nonlinier kuantum dengan foton tunggal yang diaktifkan oleh atom yang berinteraksi kuat," Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl, et al., “Transien korelasi foton dalam ansambel rydberg yang diblokir secara lemah,” J. Phys. B: Di. mol. Memilih. fisik. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad, et al., "Korelasi foton menggunakan respons nonlinier kolektif atom yang digabungkan secara lemah ke mode optik," Nat. Fotonik 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Gens, et al., “Keterjeratan kuat dari resonator mikromekanis dengan bidang optik keluaran,” Phys. Wahyu A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt, et al., "Korelasi foton yang diselesaikan frekuensi dalam optomekanik rongga," Sains dan Teknologi Quantum 6, 034005 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569
[69] K. Børkje, F. Massel, dan JGE Harris, “Statistik foton nonklasik dalam optomekanik dua nada yang terus digerakkan,” Phys. Wahyu A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer dan F. Petruccione, Teori Sistem Kuantum Terbuka (Oxford University Press, 2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin, dan K. Molmer, "Pendekatan fungsi gelombang untuk proses disipatif dalam optik kuantum," Phys. Pdt. Lett. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin, dan J. Dalibard, “Metode fungsi gelombang Monte carlo dalam optik kuantum,” J. Opt. Soc. Saya. B 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, "Cara mengatur ulang atom setelah deteksi foton: Aplikasi untuk proses penghitungan foton," Phys. Wahyu A 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael, Sebuah Pendekatan Sistem Terbuka untuk Optik Quantum (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio dan PL Knight, “Pendekatan lompatan kuantum untuk dinamika disipatif dalam optik kuantum,” Rev. Mod. fisik. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer dan Y. Castin, "Fungsi gelombang Monte Carlo dalam optik kuantum," Quantum dan Optik Semiklasik: Jurnal Masyarakat Optik Eropa Bagian B 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] R. Horodecki, dkk., “Keterjeratan kuantum,” Rev. Mod. fisik. 81 (865).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne dan G. Tóth, “Deteksi keterikatan,” Phys. Rep.474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner dan P. Zoller, Quantum Noise: Buku Pegangan Metode Stokastik Kuantum Markovian dan Non-Markovian dengan Aplikasi pada Optik Kuantum (Springer Science & Business Media, 2004).
https:///link.springer.com/book/9783540223016
[80] KP Murphy, Pembelajaran Mesin: Perspektif Probabilistik (MIT Press, 2012).
https: / / dl.acm.org/ doi / book / 10.5555 / 2380985
[81] Y. Li, dkk., “Estimasi Fase Kuantum Frekuensi dan Bayesian,” Entropi 20, 628 (2018).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e20090628
[82] HL van Trees, Deteksi, Estimasi dan Teori Modulasi, Vol. Saya (Wiley, 1968).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 0471221082
[83] AW van der Vaart, Statistik Asimtotik (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256
[84] Gua SL Braunstein dan CM, "Jarak statistik dan geometri keadaan kuantum," Phys. Pdt. Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan dan C.-HF Fung, “Estimasi parameter kuantum dengan dinamika umum,” npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou dan L. Jiang, “Korespondensi yang tepat antara informasi Fisher kuantum dan metrik Bures,” arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark dan K. Mølmer, "Informasi Fisher dan batas sensitivitas kuantum cramér-rao pengukuran kontinu," Phys. Pdt. Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa dan J. Kołodyński, "Magnetometri atom berisik secara real time," New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala, dan F. Marquardt, "Ketidakstabilan optomekanis dalam rezim kuantum," New J. Phys. 10 (095013).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Dikutip oleh
Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2022-09-20 11:18:54: Tidak dapat mengambil data yang dikutip untuk 10.22331 / q-2022-09-20-812 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini. Di SAO / NASA ADS tidak ada data tentang karya mengutip ditemukan (upaya terakhir 2022-09-20 11:18:54).
Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.
