1Centrum voor kwantumoptische technologieën, centrum voor nieuwe technologieën, Universiteit van Warschau, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polen
2Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polen
Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.
Abstract
Optomechanische systemen worden snel een van de meest veelbelovende platforms voor het observeren van kwantumgedrag, vooral op macroscopisch niveau. Bovendien kunnen ze dankzij hun ultramoderne fabricagemethoden nu regimes van niet-lineaire interacties binnengaan tussen hun samenstellende mechanische en optische vrijheidsgraden. In dit werk laten we zien hoe deze nieuwe mogelijkheid kan dienen om een nieuwe generatie optomechanische sensoren te bouwen. We beschouwen de canonieke optomechanische opstelling waarbij het detectieschema is gebaseerd op tijdsopgeloste telling van fotonen die uit de holte lekken. Door simulaties uit te voeren en gebruik te maken van Bayesiaanse gevolgtrekkingen, tonen we aan dat de niet-klassieke correlaties van de gedetecteerde fotonen de sensorprestaties in realtime cruciaal kunnen verbeteren. Wij geloven dat ons werk een nieuwe richting in het ontwerp van dergelijke apparaten kan stimuleren, terwijl onze methoden ook van toepassing zijn op andere platforms die gebruik maken van niet-lineaire licht-materie-interacties en fotondetectie.
Uitgelichte afbeelding: posterieure verdelingen op basis van waarneming met continu tellen van fotonen.
Populaire samenvatting
Ondertussen is aangetoond dat technieken waarbij een systeem voor kwantumdetectietaken continu wordt bewaakt, zeer effectief zijn. Hier, in plaats van het systeem in een specifieke toestand voor te bereiden en een optimale single-shot meting uit te voeren, kan het systeem in de loop van de tijd evolueren en worden de emissiestatistieken gecontroleerd. Hierdoor kan een onbekende systeemparameter goed worden geschat, zelfs vanuit een enkel kwantumtraject.
Hier combineren we deze twee waarnemingen door de fotonenstatistieken van een niet-lineair optomechanisch systeem te gebruiken om onbekende parameters te schatten, zoals de optomechanische koppelingssterkte. We zien hoe de niet-klassieke statistiek van het niet-lineaire optomechanische systeem uitstekende resultaten oplevert met slechts een enkel kwantumtraject, zelfs met een relatief laag aantal fotonemissies. Door gebruik te maken van de technieken van Bayesiaanse inferentie, kan een posterieure verdeling worden verkregen en vergeleken met de detectieprestaties van een optimale enkelvoudige meting. We tonen aan dat ons continu bewaakte systeem na voldoende tijd in staat is om beter te presteren dan een systeem gemeten met een enkelvoudige meting, en geeft nuttig inzicht in het ontwerpen van potentiële nieuwe detectieschema's voor optomechanische apparaten.
► BibTeX-gegevens
► Referenties
[1] CK Law, "Interactie tussen een bewegende spiegel en stralingsdruk: een Hamiltoniaanse formulering", Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg en F. Marquardt, "Cavity optomechanica", Rev. Mod. Fysiek. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg en F. Marquardt, Cavity Optomechanics: nano- en micromechanische resonatoren in wisselwerking met licht (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen en GJ Milburn, Quantum Optomechanica (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] S. Barzanjeh, et al., "Optomechanica voor kwantumtechnologieën", Nat. Fysiek. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle, et al., "De bewegende grondtoestand van een object van 10 kg naderen", Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko en P. Tombesi, "Ponderomotive controle van kwantummacroscopische coherentie", Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs en PL Knight, "Voorbereiding van niet-klassieke toestanden in holtes met een bewegende spiegel", Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk en F. Marquardt, "Basistheorie van holte-optomechanica", (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero, et al., "Levitodynamics: levitatie en controle van microscopische objecten in vacuüm", Science 374, eabg3027 (2021).
https://doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns, et al., "Kwantumcontrole van een optisch zwevend nanodeeltje in cryogene vrije ruimte", Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel, et al., "Caviteitskoeling van een optisch zwevend submicrondeeltje", PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] F. Brennecke, et al., "Cavity optomechanica with a bose-einstein condensate", Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1163218
[14] KW Murch, et al., "Observatie van kwantummeting-backactie met een ultrakoud atoomgas", Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965
[15] DWC Brooks, et al., "Niet-klassiek licht dat wordt gegenereerd door door kwantumruis aangedreven holte-optomechanica", Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] M. Eichenfield, et al., "Optomechanische kristallen", Nature 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] J. Chan, et al., "Laserkoeling van een nanomechanische oscillator in zijn kwantumgrondtoestand", Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] R. Riedinger, et al., "Kwantumverstrengeling op afstand tussen twee micromechanische oscillatoren", Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] DK Armani, et al., "Ultra-high-Q ringkern microholte op een chip", Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson, et al., "Op metingen gebaseerde regeling van een mechanische oscillator met zijn thermische decoherentiesnelheid", Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir, et al., "Verschijning en verdwijning van kwantumcorrelaties in op metingen gebaseerde feedbackregeling van een mechanische oscillator", Phys. Rev X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi, et al., "Op metingen gebaseerde kwantumcontrole van mechanische beweging", Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa, et al., "Quantum-limited mirror-motion Estimation", Phys. Eerwaarde 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. Eerwaarde Lett. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi, et al., "Het kwantumtraject van een mechanische resonator observeren en verifiëren", Phys. Eerwaarde Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter, et al., "Realtime kalman-filter: afkoeling van een optisch zwevend nanodeeltje", Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, et al., "Continue kracht- en verplaatsingsmeting onder de standaard kwantumlimiet", Nat. Fysiek. 15 (745).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini, et al., "Realtime optimale kwantumcontrole van mechanische beweging bij kamertemperatuur", Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali, et al., "Optomechanische verstrengeling tussen een beweegbare spiegel en een holteveld", Phys. Eerwaarde Lett. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes, et al., "Ground-state koeling van een micromechanische oscillator: vergelijking van koude demping en holteondersteunde koelschema's", 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., "Dynamische dissipatieve koeling van een mechanische resonator in optomechanica met sterke koppeling", Phys. Eerwaarde Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares en MGA Paris, Gaussiaanse staten in continu variabele kwantuminformatie (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: quant-ph / 0503237
[34] SG Hofer en K. Hammerer, in Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, onder redactie van E. Arimondo, CC Lin en SF Yelin (Academic Press, 2017) blz. 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., "Optomechanische kwantuminformatieverwerking met fotonen en fononen", Phys. Eerwaarde Lett. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos, et al., "Niet-lineaire kwantumoptomechanica via individuele intrinsieke defecten op twee niveaus", Phys. Eerwaarde Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed, et al., "Getrouwe conversie van voortplantende kwantuminformatie naar mechanische beweging", Nature Phys 13, 1163 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4251
[39] JD Teufel, et al., "Circuit cavity electromechanica in the strong-coupling regime", Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] S. Qvarfort, et al., "Master-vergelijking behandeling van niet-lineaire optomechanische systemen met optisch verlies", Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, et al., "Ultra-efficiënte koeling van resonatoren: zijbandkoeling verslaan met kwantumcontrole", Phys. Eerwaarde Lett. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm, et al., "Optimale controle van hybride optomechanische systemen voor het genereren van niet-klassieke toestanden van mechanische beweging", Quantum Sci. Technologie 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje en SM Girvin, "Single-photon optomechanica", Phys. Eerwaarde Lett. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, "Fotonblokkade-effect in optomechanische systemen", Phys. Eerwaarde Lett. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li, en Y.-x. Liu, "Door fotonen geïnduceerde tunneling in optomechanische systemen", Phys. Rev A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig en F. Marquardt, "Volledige fotonstatistieken van een lichtstraal die door een optomechanisch systeem wordt uitgezonden", Phys. Rev A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes en A. Beige, "Quantum jump metrology", Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., "Gravimetrie door niet-lineaire optomechanica", Nat. gemeenschappelijk. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort, et al., "Optimale schatting van tijdsafhankelijke zwaartekrachtvelden met kwantumoptomechanische systemen", Phys. Ds. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Grondbeginselen van statistische signaalverwerking: schattingstheorie (Prentice Hall, 1993).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 151045
[51] MGA Parijs, "Kwantumschatting voor kwantumtechnologie", Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] JD Cohen, et al., "Tellen van fononen en intensiteitsinterferometrie van een nanomechanische resonator", Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] I. Galinskiy, et al., "Phonon tellende thermometrie van een ultracoherente membraanresonator nabij zijn bewegende grondtoestand", Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi, et al., "Optomechanische kwantumteleportatie", Nat. Foton. 15 (817).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z
[55] K. Jacobs, Quantum Measurement Theory en haar toepassingen (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark en K. Molmer, "Bayesiaanse parameterinferentie van continu bewaakte kwantumsystemen", Phys. Rev A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio en A. Xuereb, "Optimale schatting van de optomechanische koppelingssterkte", Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg, et al., "Membrane-Based Scanning Force Microscopy", Phys. Ds. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees en KL Bell, Bayesiaanse grenzen voor parameterschatting en niet-lineaire filtering/tracking (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178
[60] F. Albarelli, et al., "Ultieme limieten voor kwantummagnetometrie via tijd-continue metingen", New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich en K. Mølmer, "Schatting van atomaire interactieparameters door het tellen van fotonen", Phys. Rev A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić en MD Lukin, "Quantum niet-lineaire optica - foton voor foton", Nat. Fotonica 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer en G. Rempe, "Cavity-gebaseerde kwantumnetwerken met enkele atomen en optische fotonen", Rev. Mod. Fysiek. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel, et al., "Quantum niet-lineaire optica met enkele fotonen mogelijk gemaakt door sterk op elkaar inwerkende atomen", Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl, et al., "Fotoncorrelatietransiënten in een zwak geblokkeerd Rydberg-ensemble", J. Phys. B: Bij. mol. Opt. Fysiek. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad, et al., "Fotonen correleren met behulp van de collectieve niet-lineaire respons van atomen die zwak gekoppeld zijn aan een optische modus", Nat. Fotonica 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Genes, et al., "Robuuste verstrengeling van een micromechanische resonator met optische uitgangsvelden", Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt, et al., "Frequentie-opgeloste fotoncorrelaties in holte-optomechanica", Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569
[69] K. Børkje, F. Massel en JGE Harris, "Niet-klassieke fotonstatistieken in tweekleurige continu aangedreven optomechanica", Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer en 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 en K. Molmer, "Golffunctiebenadering van dissipatieve processen in kwantumoptica", Phys. Eerwaarde Lett. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin en J. Dalibard, "Monte carlo-golffunctiemethode in kwantumoptica", J. Opt. Soc. Ben. B 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, "Hoe een atoom te resetten na een fotondetectie: toepassingen voor processen voor het tellen van fotonen", Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael, Een open systeembenadering van kwantumoptica (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio en PL Knight, "De kwantumsprongbenadering van dissipatieve dynamiek in kwantumoptica", Rev. Mod. Fysiek. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer en Y. Castin, "Monte Carlo-golffuncties in kwantumoptica", 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., "Quantumverstrengeling", Rev. Mod. Fysiek. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne en G. Tóth, "Verstrengelingsdetectie", Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner en 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: een probabilistisch perspectief (MIT Press, 2012).
https: / / dl.acm.org/ doi / book / 10.5555 / 2380985
[81] Y. Li, et al., "Frequentistische en Bayesiaanse kwantumfaseschatting", Entropy 20, 628 (2018).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e20090628
[82] HL van Trees, Detectie, schatting en modulatietheorie, Vol. ik (Wiley, 1968).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 0471221082
[83] AW van der Vaart, Asymptotische statistiek (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256
[84] SL Braunstein en CM Caves, "Statistische afstand en de geometrie van kwantumtoestanden", Phys. Eerwaarde Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan en C.-HF Fung, "Quantumparameterschatting met algemene dynamiek", npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou en L. Jiang, "Een exacte overeenkomst tussen de kwantum Fisher-informatie en de Bures-metriek", arXiv: 1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark en K. Mølmer, "Fisher-informatie en de quantum cramér-rao-gevoeligheidslimiet van continue metingen", Phys. Eerwaarde Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa en J. Kołodyński, "Lawaaierige atomaire magnetometrie in realtime", New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala en F. Marquardt, "De optomechanische instabiliteit in het kwantumregime", New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Geciteerd door
Kon niet ophalen Door Crossref geciteerde gegevens tijdens laatste poging 2022-09-20 11:18:54: Kon geciteerde gegevens voor 10.22331 / q-2022-09-20-812 niet ophalen van Crossref. Dit is normaal als de DOI recent is geregistreerd. Aan SAO / NASA ADS er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2022-09-20 11:18:54).
Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.
