1Centrum Kwantowych Technologii Optycznych, Centrum Nowych Technologii, Uniwersytet Warszawski, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polska
2Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polska
Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.
Abstrakcyjny
Systemy optomechaniczne szybko stają się jedną z najbardziej obiecujących platform do obserwacji zachowań kwantowych, zwłaszcza na poziomie makroskopowym. Co więcej, dzięki ich najnowocześniejszym metodom wytwarzania, mogą teraz wejść w reżimy nieliniowych interakcji między ich składowymi mechanicznymi i optycznymi stopniami swobody. W niniejszej pracy pokazujemy, w jaki sposób ta nowatorska szansa może posłużyć do budowy nowej generacji czujników optomechanicznych. Rozważamy kanoniczny układ optomechaniczny ze schematem detekcji opartym na czasowo-rozdzielczym zliczaniu fotonów wyciekających z wnęki. Przeprowadzając symulacje i odwołując się do wnioskowania bayesowskiego, pokazujemy, że nieklasyczne korelacje wykrytych fotonów mogą znacząco poprawić wydajność czujnika w czasie rzeczywistym. Wierzymy, że nasza praca może wytyczyć nowy kierunek w projektowaniu takich urządzeń, a nasze metody mają zastosowanie również do innych platform wykorzystujących nieliniowe interakcje światło-materia i detekcję fotonów.
Prezentowany obraz: Rozkłady tylne oparte na wykrywaniu z ciągłym zliczaniem fotonów.
Popularne podsumowanie
Tymczasem techniki polegające na ciągłym monitorowaniu systemu do zadań wykrywania kwantowego okazały się wysoce skuteczne. Tutaj zamiast przygotowywać system w określonym stanie i wykonywać optymalny jednorazowy pomiar, system może ewoluować w czasie, a statystyki jego emisji są monitorowane. W ten sposób można dobrze oszacować nieznany parametr systemu, nawet na podstawie pojedynczej trajektorii kwantowej.
Tutaj łączymy te dwie obserwacje, używając statystyki fotonów nieliniowego systemu optomechanicznego do oszacowania nieznanych parametrów, takich jak siła sprzężenia optomechanicznego. Widzimy, jak nieklasyczne statystyki nieliniowego układu optomechanicznego dają doskonałe wyniki już z pojedynczej trajektorii kwantowej, nawet przy stosunkowo niskiej liczbie emisji fotonów. Wykorzystując techniki wnioskowania bayesowskiego, można uzyskać rozkład a posteriori i porównać go z wydajnością wykrywania optymalnego pomiaru jednorazowego. Wykazujemy, że po upływie wystarczającej ilości czasu nasz system ciągłego monitorowania jest w stanie przewyższyć system mierzony jednorazowym pomiarem i zapewnia przydatny wgląd w projektowanie potencjalnych nowych schematów wykrywania dla urządzeń optomechanicznych.
► Dane BibTeX
► Referencje
[1] CK Law, „Interakcja między ruchomym lustrem a ciśnieniem promieniowania: sformułowanie Hamiltona”, Phys. Rev A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg i F. Marquardt, „Optomechanika wnękowa”, ks. Mod. Fiz. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg i F. Marquardt, Cavity Optomechanics: Nano- i Micromechanical Resonators Interacting with Light (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen i GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] S. Barzanjeh i in., „Optomechanika dla technologii kwantowych”, Nat. Fiz. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle i in., „Zbliżając się do ruchomego stanu podstawowego obiektu o masie 10 kg”, Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko i P. Tombesi, „Poderomotoryczna kontrola kwantowej koherencji makroskopowej”, Phys. Rev A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs i PL Knight, „Przygotowanie stanów nieklasycznych we wnękach z ruchomym lustrem”, Phys. Rev A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk i F. Marquardt, „Podstawowa teoria optomechaniki wnęki” (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero i in., „Lewitodynamika: lewitacja i kontrola obiektów mikroskopowych w próżni”, Science 374, eabg3027 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns i wsp., „Kontrola kwantowa nanocząstki optycznie lewitowanej w kriogenicznej wolnej przestrzeni”, Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel i in., „Chłodzenie wnęki optycznie lewitowanej cząstki submikronowej”, PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] F. Brennecke i in., „Optomechanika wnęki z kondensatem Bose-einsteina”, Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1163218
[14] KW Murch i in., „Obserwacja reakcji zwrotnej pomiaru kwantowego z ultrazimnym gazem atomowym”, Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965
[15] DWC Brooks i in., „Nieklasyczne światło generowane przez optomechanikę wnękową napędzaną szumem kwantowym”, Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] M. Eichenfield i in., „Kryształy optomechaniczne”, Nature 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] J. Chan i in., „Chłodzenie laserowe oscylatora nanomechanicznego do jego kwantowego stanu podstawowego”, Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] R. Riedinger i in., „Zdalne splątanie kwantowe między dwoma oscylatorami mikromechanicznymi”, Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] DK Armani i in., „Mikrownęka toroidalna o ultrawysokiej wartości Q na chipie”, Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson i in., „Kontrola oparta na pomiarach oscylatora mechanicznego przy jego współczynniku dekoherencji termicznej”, Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir i in., „Pojawianie się i znikanie korelacji kwantowych w opartej na pomiarach kontroli sprzężenia zwrotnego oscylatora mechanicznego”, Phys. Rev X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi i in., „Oparta na pomiarach kontrola kwantowa ruchu mechanicznego”, Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa i in., „Ograniczona kwantowo ocena ruchu lustra”, Phys. Ks. 111, 163602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek i in., „Optymalne szacowanie stanu dla systemów optomechanicznych wnęk”, Phys. Ks. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi i in., „Obserwacja i weryfikacja trajektorii kwantowej rezonatora mechanicznego”, Phys. Ks. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter i wsp., „Filtr kalmana w czasie rzeczywistym: chłodzenie optycznie lewitowanej nanocząstki”, Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason i in., „Ciągły pomiar siły i przemieszczenia poniżej standardowej granicy kwantowej”, Nat. Fiz. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini i in., „Optymalna kontrola kwantowa ruchu mechanicznego w czasie rzeczywistym w temperaturze pokojowej”, Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali i in., „Optomechaniczne splątanie między ruchomym lustrem a polem jamy”, Phys. Ks. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes i in., „Chłodzenie w stanie podstawowym oscylatora mikromechanicznego: porównanie tłumienia na zimno i chłodzenia wspomaganego wnęką”, Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae i in., „Wspomagane wnęką chłodzenie wsteczne rezonatorów mechanicznych”, New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu i in., „Dynamiczne rozpraszanie chłodzenia rezonatora mechanicznego w optomechanice silnego sprzężenia”, Phys. Ks. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares i MGA Paris, Stany Gaussa w ciągłej zmiennej informacji kwantowej (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: quant-ph / 0503237
[34] SG Hofer i K. Hammerer, w Postępy fizyki atomowej, molekularnej i optycznej, tom. 66, pod redakcją E. Arimondo, CC Lin i SF Yelin (Academic Press, 2017), s. 263-374.
https: / / doi.org/ 10.1016 / bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell i in., „Kwantowy stan podstawowy i kontrola pojedynczego fononu rezonatora mechanicznego”, Nature 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] K. Stannigel i in., „Optomechaniczne przetwarzanie informacji kwantowej za pomocą fotonów i fononów”, Phys. Ks. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos i wsp., „Nieliniowa optomechanika kwantowa poprzez indywidualne wewnętrzne defekty dwupoziomowe”, Phys. Ks. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed i in., „Wierna konwersja propagacji informacji kwantowej na ruch mechaniczny”, Nature Phys 13, 1163 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4251
[39] JD Teufel i in., „Elektromechanika wnęk obwodu w reżimie silnego sprzężenia”, Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] S. Qvarfort i in., „Obróbka równaniem głównym nieliniowych systemów optomechanicznych z utratą optyczną”, Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang i in., „Ultrawydajne chłodzenie rezonatorów: pokonanie chłodzenia pasma bocznego za pomocą kontroli kwantowej”, Phys. Ks. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm i in., „Optymalna kontrola hybrydowych układów optomechanicznych do generowania nieklasycznych stanów ruchu mechanicznego”, Quantum Sci. Technol. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje i SM Girvin, „Single-photon optomechanics”, Phys. Ks. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, „Efekt blokady fotonowej w układach optomechanicznych”, Phys. Ks. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li i Y.-x. Liu, „Tunelowanie fotonowe w systemach optomechanicznych”, Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig i F. Marquardt, „Pełna statystyka fotonowa wiązki światła przechodzącej przez system optomechaniczny”, Phys. Rev A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes i A. Beige, „Metrologia skoku kwantowego”, Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort i in., „Grawimetria poprzez nieliniową optomechanikę”, Nat. Komunia. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort i in., „Optymalne oszacowanie zależnych od czasu pól grawitacyjnych za pomocą kwantowych układów optomechanicznych”, Phys. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Podstawy statystycznego przetwarzania sygnałów: teoria szacowania (Prentice Hall, 1993).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 151045
[51] MGA Paris, „Oszacowanie kwantowe dla technologii kwantowej”, Int. J. Inf. kwantowa 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] JD Cohen i wsp., „Zliczanie fononów i interferometria intensywności rezonatora nanomechanicznego”, Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] I. Galinskiy i in., „Termometria zliczająca fonony ultrakoherentnego rezonatora membranowego w pobliżu jego ruchomego stanu podstawowego”, Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi i in., „Optomechaniczna teleportacja kwantowa”, Nat. Foton. 15, 817 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z
[55] K. Jacobs, Teoria pomiaru kwantowego i jej zastosowania (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark i K. Molmer, „Bayesowskie wnioskowanie parametrów z nieustannie monitorowanych systemów kwantowych”, Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio i A. Xuereb, „Optymalne oszacowanie optomechanicznej siły sprzężenia”, Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg i in., „Membrane-Based Scanning Force Microscopy”, Phys. ks. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees i KL Bell, Bayesian Bounds for Parameter Estimation and Nonlinear Filtering/Tracking (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178
[60] F. Albarelli i in., „Ostateczne granice dla magnetometrii kwantowej poprzez pomiary ciągłe w czasie”, New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich i K. Mølmer, „Oszacowanie parametrów oddziaływań atomowych za pomocą liczenia fotonów”, Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić i MD Lukin, „Kwantowa optyka nieliniowa — foton po fotonie”, Nat. Fotonika 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer i G. Rempe, „Sieci kwantowe oparte na wnękach z pojedynczymi atomami i fotonami optycznymi”, Rev. Mod. Fiz. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel i wsp., „Kwantowa optyka nieliniowa z pojedynczymi fotonami aktywowanymi przez silnie oddziałujące atomy”, Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl i wsp., „Przejścia korelacji fotonowej w słabo zablokowanym zespole rydbergowskim”, J. Phys. Nietoperz. Mol. Optować. Fiz. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad i in., „Korelowanie fotonów przy użyciu zbiorowej nieliniowej odpowiedzi atomów słabo sprzężonych z modem optycznym”, Nat. Fotonika 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Genes i wsp., „Solidne splątanie rezonatora mikromechanicznego z wyjściowymi polami optycznymi”, Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt i wsp., „Korelacje fotonów z rozdzielczością częstotliwości w optomechanice wnęki”, Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569
[69] K. Børkje, F. Massel i JGE Harris, „Nieklasyczna statystyka fotonów w dwutonowej, ciągłej optomechanice”, Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer i F. Petruccione, Teoria otwartych systemów kwantowych (Oxford University Press, 2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin i K. Molmer, „Podejście oparte na funkcji falowej w procesach rozpraszania w optyce kwantowej”, Phys. Ks. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin i J. Dalibard, „Metoda funkcji falowej Monte Carlo w optyce kwantowej”, J. Opt. Soc. Jestem. B 10, 524 (1993).
https: // doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, „Jak zresetować atom po wykryciu fotonu: Zastosowania w procesach zliczania fotonów”, Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael, Otwarte podejście systemowe do optyki kwantowej (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio i PL Knight, „Podejście ze skokiem kwantowym do dynamiki rozpraszania w optyce kwantowej”, Rev. Mod. Fiz. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer i Y. Castin, „Funkcje falowe Monte Carlo w optyce kwantowej”, Quantum and Semiclassical Optics: Journal of the European Optical Society, część B 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] R. Horodecki i in., „Splątanie kwantowe”, ks. Mod. Fiz. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne i G. Tóth, „Wykrywanie splątania”, Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner i P. Zoller, Quantum Noise: A Handbook of Markowskich i niemarkowskich Quantum Stochastic Methods with Applications to Quantum Optics (Springer Science & Business Media, 2004).
https:///link.springer.com/book/9783540223016
[80] KP Murphy, Uczenie maszynowe: perspektywa probabilistyczna (MIT Press, 2012).
https: / / dl.acm.org/ doi / book / 10.5555 / 2380985
[81] Y. Li i in., „Frequentist and bayes Quantum Phase Estimation”, Entropy 20, 628 (2018).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e20090628
[82] HL van Trees, Detekcja, estymacja i teoria modulacji, tom. Ja (Wiley, 1968).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 0471221082
[83] AW van der Vaart, Statystyki asymptotyczne (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256
[84] SL Braunstein i CM Caves, „Odległość statystyczna i geometria stanów kwantowych”, Phys. Ks. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan i C.-HF Fung, „Estymacja parametrów kwantowych z ogólną dynamiką”, npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou i L. Jiang, „Dokładna zgodność między kwantową informacją Fishera a metryką Buresa”, arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark i K. Mølmer, „Informacje rybaka i granica czułości pomiarów ciągłych w pomiarach kwantowych”, Phys. Ks. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa i J. Kołodyński, „Zaszumiona magnetometria atomowa w czasie rzeczywistym”, New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala i F. Marquardt, „Niestabilność optomechaniczna w reżimie kwantowym”, New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Cytowany przez
Nie można pobrać Przywołane przez Crossref dane podczas ostatniej próby 2022-09-20 11:18:54: Nie można pobrać cytowanych danych dla 10.22331 / q-2022-09-20-812 z Crossref. Jest to normalne, jeśli DOI zostało niedawno zarejestrowane. Na Reklamy SAO / NASA nie znaleziono danych na temat cytowania prac (ostatnia próba 2022-09-20 11:18:54).
Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.
