1Centrul de tehnologii optice cuantice, Centrul de noi tehnologii, Universitatea din Varșovia, Banacha 2c, 02-097 Varșovia, Polonia
2Facultatea de Fizică, Universitatea din Varșovia, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Polonia
Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.
Abstract
Sistemele optomecanice devin rapid una dintre cele mai promițătoare platforme pentru observarea comportamentului cuantic, în special la nivel macroscopic. Mai mult, datorită metodelor lor de ultimă generație de fabricație, aceștia pot intra acum în regimuri de interacțiuni neliniare între gradele lor de libertate mecanice și optice constitutive. În această lucrare, arătăm cum această nouă oportunitate poate servi la construirea unei noi generații de senzori optomecanici. Luăm în considerare configurația optomecanică canonică, schema de detecție fiind bazată pe numărarea rezolvată în timp a fotonilor care se scurg din cavitate. Efectuând simulări și recurgând la inferența bayesiană, demonstrăm că corelațiile non-clasice ale fotonilor detectați pot îmbunătăți în mod crucial performanța senzorului în timp real. Credem că munca noastră poate stimula o nouă direcție în proiectarea unor astfel de dispozitive, în timp ce metodele noastre se aplică și altor platforme care exploatează interacțiuni neliniare lumină-materie și detectarea fotonilor.
Imagine prezentată: distribuții posterioare bazate pe detecție cu numărare continuă de fotoni.
Rezumat popular
Între timp, tehnicile care implică monitorizarea continuă a unui sistem pentru sarcini de detectare cuantică s-au dovedit a fi extrem de eficiente. Aici, în loc să pregătească sistemul într-o stare specifică și să efectueze o măsurătoare optimă single-shot, sistemul este lăsat să evolueze în timp și statisticile emisiilor sale sunt monitorizate. Procedând astfel, un parametru de sistem necunoscut poate fi bine estimat, chiar și dintr-o singură traiectorie cuantică.
Aici, combinăm aceste două observații utilizând statisticile fotonice ale unui sistem optomecanic neliniar pentru a estima parametri necunoscuți, cum ar fi rezistența de cuplare optomecanică. Vedem cum statisticile non-clasice ale sistemului optomecanic neliniar produc rezultate excelente dintr-o singură traiectorie cuantică, chiar și cu un număr relativ scăzut de emisii de fotoni. Folosind tehnicile de inferență bayesiană, o distribuție posterioară poate fi obținută și comparată cu performanța de detectare a unei măsurători optime cu o singură lovitură. Demonstrăm că, după o perioadă suficientă de timp, sistemul nostru monitorizat continuu este capabil să depășească un sistem măsurat cu o măsurătoare cu o singură lovitură și să ofere o perspectivă utilă în proiectarea potențialelor scheme noi de detectare pentru dispozitivele optomecanice.
► Date BibTeX
► Referințe
[1] Legea CK, „Interacțiunea dintre o oglindă în mișcare și presiunea radiației: O formulare hamiltoniană”, Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg și F. Marquardt, „Optomecanica cavității”, Rev. Mod. Fiz. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg și 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 și GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] S. Barzanjeh, et al., „Optomecanica pentru tehnologii cuantice”, Nat. Fiz. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle, și colab., „Apropierea stării fundamentale de mișcare a unui obiect de 10 kg”, Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko și P. Tombesi, „Controlul ponderomotiv al coerenței macroscopice cuantice”, Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs și PL Knight, „Pregătirea stărilor nonclasice în cavități cu oglindă în mișcare”, Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk și F. Marquardt, „Teoria de bază a optomecanicii cavității”, (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, și colab., „Controlul cuantic al unei nanoparticule levitate optic în spațiul liber criogenic”, Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel, și colab., „Cavity cooling of an optically levitate submicron particle”, PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] F. Brennecke, et al., „Optomecanica cavității cu condensat de bose-einstein”, Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1163218
[14] KW Murch, și colab., „Observarea reacției cuantice de măsurare cu un gaz atomic ultrarece”, Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965
[15] DWC Brooks, și colab., „Lumină non-clasică generată de optomecanică cuantică a cavităților conduse de zgomot”, 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, și colab., „Răcirea cu laser a unui oscilator nanomecanic în starea fundamentală cuantică”, Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] R. Riedinger, et al., „Remote quantum entanglement between two micromechanical oscillators”, Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] DK Armani, și colab., „Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip”, Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson, și colab., „Controlul bazat pe măsurare al unui oscilator mecanic la rata sa de decoerență termică”, Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir, et al., „Apariția și dispariția corelațiilor cuantice în controlul feedback-ului bazat pe măsurare al unui oscilator mecanic”, Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi, et al., „Controlul cuantic bazat pe măsurare al mișcării mecanice”, Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa, și colab., „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., „Observarea și verificarea traiectoriei cuantice a unui rezonator mecanic”, Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter, et al., „Real-time kalman filter: Cooling of an optically levitate nanoparticule”, Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, et al., „Măsurarea forței și a deplasării continue sub limita cuantică standard”, Nat. Fiz. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini, și colab., „Control cuantic optim în timp real al mișcării mecanice la temperatura camerei”, Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali, et al., „Entanglement optmechanical 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., „Răcirea în stare de bază a unui oscilator micromecanic: compararea sistemelor de amortizare la rece și a sistemelor de răcire asistată de cavitate”, Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae, et al., „Răcirea cu reacție inversă asistată de cavitate a rezonatoarelor mecanice”, New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y C. Liu, și colab., „Răcirea dinamică disipativă a unui rezonator mecanic în optomecanica cuplajului puternic”, Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares și MGA Paris, state gaussiene în informații cuantice variabile continue (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: Quant-ph / 0503237
[34] SG Hofer și K. Hammerer, în Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, voi. 66, editat de E. Arimondo, CC Lin și SF Yelin (Academic Press, 2017) pp. 263–374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell, și colab., „Starea fundamentală cuantică și controlul unui singur fonon al unui rezonator mecanic”, Nature 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] K. Stannigel, și colab., „Procesarea informațiilor cuantice optomecanice cu fotoni și fononi”, Phys. Rev. Lett. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos, et al., „Optomecanica cuantică neliniară prin defecte individuale intrinseci pe două niveluri”, Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed și colab., „Conversia fidelă a propagarii informațiilor cuantice în mișcare mecanică”, 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, și colab., „Tratamentul cu ecuația principală a sistemelor optomecanice neliniare cu pierderi optice”, Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, et al., „Răcirea ultraeficientă a rezonatoarelor: 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., „Controlul optim al sistemelor optomecanice hibride pentru generarea de stări non-clasice de mișcare mecanică”, Quantum Sci. Tehnol. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje și SM Girvin, „Single-photon optomechanics”, Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, „Efectul de blocare fotonică în sisteme optomecanice”, Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li și Y.-x. Liu, „Tunelare indusă de fotoni în sisteme optomecanice”, Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig și F. Marquardt, „Full photon statistics of a light beam transmitted through an optomechanical system”, Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes și A. Beige, „Quantum jump metrology”, Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., „Gravimetria prin optomecanică neliniară”, Nat. comun. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort, et al., „Estimarea optimă a câmpurilor gravitaționale dependente de timp cu sisteme optomecanice cuantice”, Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Fundamentele procesării semnalelor statistice: Teoria estimării (Prentice Hall, 1993).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 151045
[51] MGA Paris, „Estimarea cuantică pentru tehnologie cuantică”, Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] JD Cohen, și colab., „Numărarea fononului și interferometria intensității unui rezonator nanomecanic”, Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] I. Galinskiy, et al., „Phonon counting thermometry of an ultracoerent membrane resonator near its motional ground state”, 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, Teoria măsurătorilor cuantice și aplicațiile sale (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark și K. Molmer, „Inferența parametrilor bayesian din sistemele cuantice monitorizate continuu”, Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio și A. Xuereb, „Estimarea optimă a rezistenței optomecanice de cuplare”, 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. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees și KL Bell, Bayesian Bounds for Parameter Estimation and Nonlinear Filtering/Tracking (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178
[60] F. Albarelli, et al., „Ultimate limits for quantum magnetometry via time-continuous measurements”, New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich și K. Mølmer, „Estimarea parametrilor de interacțiune atomică prin numărarea fotonilor”, Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić și MD Lukin, „Optică neliniară cuantică — foton cu foton”, Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer și G. Rempe, „Rețele cuantice bazate pe cavitate cu atomi unici și fotoni optici”, Rev. Mod. Fiz. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel, et al., „Optica neliniară cuantică cu fotoni unici activați de atomi care interacționează puternic”, Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl, et al., „Tranzitorii de corelație fotonică într-un ansamblu Rydberg slab blocat”, J. Phys. B: La. Mol. Opta. Fiz. 53, 084005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab728f
[66] AS Prasad, et al., „Corelarea fotonilor folosind răspunsul colectiv neliniar al atomilor slab cuplat la un mod optic”, Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Genes, et al., „Robust entanglement of a micromechanical resonator with output optical fields”, Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt, și colab., „Corelațiile fotonilor rezolvate în frecvență în optomecanica cavității”, Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abe569
[69] K. Børkje, F. Massel și JGE Harris, „Nonclassical photon statistics in two-tone continuously driven optomechanics,” Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer și F. Petruccione, Theory of Open Quantum Systems (Oxford University Press, 2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: OSO / 9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin și K. Molmer, „Abordarea funcției de undă a proceselor disipative în optica cuantică”, Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin și J. Dalibard, „Monte carlo wave-function method in quantum optics”, J. Opt. Soc. A.m. B 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, „Cum să resetați un atom după detectarea unui foton: aplicații la procesele de numărare a fotonilor”, 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 și PL Knight, „Abordarea saltului cuantic a dinamicii disipative în optica cuantică”, Rev. Mod. Fiz. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer și 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. Fiz. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne și G. Tóth, „Entanglement detection”, Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner și 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, și colab., „Estimarea fazei cuantice frecvente și bayesiane”, Entropy 20, 628 (2018).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e20090628
[82] HL van Trees, Teoria de detectare, estimare și modulare, voi. Eu (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 și CM Caves, „Distanța statistică și geometria stărilor cuantice”, Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan și C.-HF Fung, „Estimarea parametrilor cuantici cu dinamică generală”, npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou și L. Jiang, „O corespondență exactă între informațiile cuantice Fisher și metrica Bures”, arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark și K. Mølmer, „Informațiile Fisher și limita de sensibilitate cramér-rao cuantică a măsurătorilor continue”, Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa și 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 și F. Marquardt, „The optomechanical instability in the quantum regime”, New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Citat de
Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2022-09-20 11:18:54: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2022-09-20-812 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent. Pe ADS SAO / NASA nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2022-09-20 11:18:54).
Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.
