Utnyttelse av ikke-lineære effekter i optomekaniske sensorer med kontinuerlig fotontelling

Tidsstempel: 20. september 2022 7

Lewis A. Clark1, Bartosz Markowicz1,2, og Jan Kołodyński1

1Center for Quantum Optical Technologies, Center of New Technologies, University of Warszawa, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polen
2Fakultet for fysikk, University of Warszawa, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polen

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Optomekaniske systemer er raskt i ferd med å bli en av de mest lovende plattformene for å observere kvanteatferd, spesielt på makroskopisk nivå. Dessuten, takket være deres toppmoderne fremstillingsmetoder, kan de nå gå inn i regimer med ikke-lineære interaksjoner mellom deres konstituerende mekaniske og optiske frihetsgrader. I dette arbeidet viser vi hvordan denne nye muligheten kan tjene til å konstruere en ny generasjon optomekaniske sensorer. Vi vurderer det kanoniske optomekaniske oppsettet med deteksjonsskjemaet som er basert på tidsoppløst telling av fotoner som lekker fra hulrommet. Ved å utføre simuleringer og ty til Bayesiansk inferens, demonstrerer vi at de ikke-klassiske korrelasjonene til de oppdagede fotonene kan forbedre sensorytelsen i sanntid avgjørende. Vi tror at arbeidet vårt kan stimulere en ny retning i utformingen av slike enheter, mens metodene våre også gjelder for andre plattformer som utnytter ikke-lineære lys-materie-interaksjoner og fotondeteksjon.

Utnyttelse av ikke-lineære effekter i optomekaniske sensorer med kontinuerlig foton-telling PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

Utvalgt bilde: Posteriore fordelinger basert på sensing med kontinuerlig fotontelling.

Populært sammendrag

Optomekanikk spenner over et bredt utvalg av fysiske systemer som involverer lyskobling til mekanisk bevegelse. Dessuten er de vanligvis noen av de mest tilgjengelige kandidatene for å undersøke kvanteeffekter i naturen. Oftest vurderes optomekaniske systemer i det lineære regimet, der den optiske driften av systemet er sterk eller lysmekanikkkoblingen er svak. Imidlertid viser slike systemer generelt mindre kvanteegenskaper. Når man beveger seg inn i det ikke-lineære regimet, forbedres systemets kvanteoppførsel, noe som også kan resultere i produksjon av svært ikke-klassisk lys. Selv om det fortsatt er eksperimentelt utfordrende å oppnå, er fordelene ved å jobbe innenfor det ikke-lineære regimet klare.

I mellomtiden har teknikker som involverer kontinuerlig overvåking av et system for kvantesensoroppgaver vist seg å være svært effektive. Her, i stedet for å forberede systemet i en spesifikk tilstand og utføre en optimal enkeltskuddsmåling, tillates systemet å utvikle seg over tid og utslippsstatistikken overvåkes. Ved å gjøre det kan en ukjent systemparameter estimeres godt, selv fra en enkelt kvantebane.

Her kombinerer vi disse to observasjonene ved å bruke fotonstatistikken til et ikke-lineært optomekanisk system for å estimere ukjente parametere, for eksempel den optomekaniske koblingsstyrken. Vi ser hvordan den ikke-klassiske statistikken til det ikke-lineære optomekaniske systemet gir utmerkede resultater fra bare en enkelt kvantebane, selv med et relativt lavt antall fotonutslipp. Ved å bruke teknikkene for Bayesiansk inferens, kan en posterior fordeling oppnås og sammenlignes med sanseytelsen til en optimal enkeltskuddsmåling. Vi demonstrerer at etter tilstrekkelig tid er vårt kontinuerlige overvåkede system i stand til å utkonkurrere et system målt med en enkeltskuddsmåling, og gir nyttig innsikt i utforming av potensielle nye sanseoppsett for optomekaniske enheter.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] CK Law, "Interaksjon mellom et bevegelig speil og strålingstrykk: 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, Cavity Optomechanics: Nano- og Micromechanical Resonators Interacting with Light (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., "Optomekanikk for kvanteteknologier," Nat. Phys. 18, 15 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01402-0

[6] C. Whittle, et al., "Nærming til bevegelsesgrunntilstanden til 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 kontroll av kvantemakroskopisk koherens," Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042

[8] S. Bose, K. Jacobs og PL Knight, "Forberedelse av ikke-klassiske tilstander i hulrom med et bevegelig speil," Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175

[9] AA Clerk og F. Marquardt, "Grunnleggende teori om hulromsoptomekanikk," (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55312-7_2

[10] C. Gonzalez-Ballestero, et al., "Levitodynamikk: Levitasjon og kontroll av mikroskopiske objekter i vakuum," Science 374, eabg3027 (2021).
https://doi.org/ 10.1126/science.abg3027

[11] F. Tebbenjohanns, et al., "Kvantekontroll av en nanopartikkel som er optisk levitert i kryogent ledig rom," 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., "Observasjon av kvantemåling tilbakevirkning med en ultrakald atomgass," Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965

[15] DWC Brooks, et al., "Ikke-klassisk lys generert av kvantestøy-drevet hulromsoptomekanikk," 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., "Laserkjøling av en nanomekanisk oscillator til sin kvantegrunntilstand," Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461

[18] R. Riedinger, et al., "Fjern kvantesammenfiltring mellom 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., "Målingsbasert kontroll av en mekanisk oscillator ved dens termiske dekoherenshastighet," Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672

[21] V. Sudhir, et al., "Utseende og forsvinning av kvantekorrelasjoner i målebasert tilbakemeldingskontroll av en mekanisk oscillator," Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001

[22] M. Rossi, et al., "Målingsbasert kvantekontroll av mekanisk bevegelse," 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., "Observere og verifisere kvantebanen til en mekanisk resonator," Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601

[26] A. Setter, et al., "Sanntidskalmanfilter: Avkjøling av en optisk levitert nanopartikkel," Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822

[27] D. Mason, et al., "Kontinuerlig kraft- og forskyvningsmåling under standard kvantegrense," Nat. Phys. 15, 745 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0533-5

[28] L. Magrini, et al., "Sanntids optimal kvantekontroll av mekanisk bevegelse ved romtemperatur," 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 cooling of a micromechanical oscillator: Comparing cold demping and cavity-assisted cooling schemes," 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 kjøling av en mekanisk resonator i sterk koblingsoptomekanikk," Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606

[33] A. Ferraro, S. Olivares og MGA Paris, Gaussiske stater i kontinuerlig variabel kvanteinformasjon (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arxiv: Quant-ph / 0503237

[34] SG Hofer og K. Hammerer, i Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, redigert av 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 kvanteoptomekanikk via individuelle iboende to-nivådefekter," Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602

[38] AP Reed, et al., "Trofast konvertering av forplantende kvanteinformasjon til mekanisk bevegelse," 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 tap," Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501

[41] X. Wang, et al., "Ultraeffektiv kjøling av 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 kontroll av hybride optomekaniske systemer for å generere ikke-klassiske tilstander av mekanisk bevegelse," 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, "Fotoindusert tunnelering 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, "Full fotonstatistikk for en lysstråle som sendes gjennom 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 gjennom ikke-lineær optomekanikk," Nat. Commun. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z

[49] S. Qvarfort, et al., "Optimal estimering av tidsavhengige gravitasjonsfelt 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., "Fonontelling og intensitetsinterferometri til en nanomekanisk resonator," Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349

[53] I. Galinskiy, et al., "Phonon telling termometri of an ultracoherent membrane resonator near its motional ground state," Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939

[54] N. Fiaschi, et al., "Optomekanisk kvanteteleportering," 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, "Bayesian parameterinferens fra kontinuerlig overvåkede 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 av den optomekaniske koblingsstyrken," Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821

[58] D. Hälg, et al., "Membranbasert skanningskraftmikroskopi," Phys. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.15.L021001

[59] HL Van Trees og KL Bell, Bayesiske grenser for parameterestimering og ikke-lineær filtrering/sporing (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178

[60] F. Albarelli, et al., "Ultimate grenser 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 av atomære interaksjonsparametere ved fotontelling," 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 optikk - foton for foton," Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192

[63] A. Reiserer og G. Rempe, "Cavity-baserte kvantenettverk med enkeltatomer 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 optikk med enkeltfotoner muliggjort av sterkt interagerende atomer," Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361

[65] C. Möhl, et al., "Photon correlation transients in a weakly blockaded rydberg ensemble," J. Phys. Flaggermus. Mol. Opt. Phys. 53, 084005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab728f

[66] AS Prasad, et al., "Korrelere fotoner ved å bruke den kollektive ikke-lineære responsen til atomer som er svakt koblet til en optisk modus," Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z

[67] C. Genes, et al., "Robust sammenfiltring av en mikromekanisk resonator med optiske utgangsfelt," 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 fotonstatistikk i to-tone kontinuerlig drevet optomekanikk," 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-funksjon tilnærming til dissipative prosesser i kvanteoptikk," 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, "Hvordan tilbakestille et atom etter en fotondeteksjon: applikasjoner til fotontellingsprosesser," 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, "Kvantehopp-tilnærmingen til dissipativ dynamikk i kvanteoptikk," 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 statistikk (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256

[84] SL Braunstein og CM Caves, "Statistisk avstand og geometrien til kvantetilstander," 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 nøyaktig samsvar mellom quantum Fisher-informasjonen og Bures-metrikken," arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arxiv: 1910.08473

[87] S. Gammelmark og K. Mølmer, "Fisher-informasjon og quantum cramér-rao sensitivitetsgrensen for kontinuerlige målinger," Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401

[88] J. Amoros-Binefa og J. Kołodyński, "Støyende atommagnetometri i sanntid," New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac3b71

[89] M. Ludwig, B. Kubala og F. Marquardt, "Den optomekaniske ustabiliteten i kvanteregimet," New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​9/​095013

Sitert av

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2022-09-20 11:18:54: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2022-09-20-812 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert. På SAO / NASA ADS ingen data om sitering av verk ble funnet (siste forsøk 2022-09-20 11:18:54).

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal