1Центр квантовых оптических технологий, Центр новых технологий, Варшавский университет, Банаха 2с, 02-097 Варшава, Польша
2Физический факультет, Варшавский университет, Pasteura 5, 02-093 Варшава, Польша
Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.
Абстрактные
Оптомеханические системы быстро становятся одной из самых многообещающих платформ для наблюдения квантового поведения, особенно на макроскопическом уровне. Более того, благодаря современным методам изготовления они теперь могут входить в режимы нелинейного взаимодействия между составляющими их механическими и оптическими степенями свободы. В этой работе мы показываем, как эта новая возможность может помочь в создании оптомеханических датчиков нового поколения. Мы рассматриваем каноническую оптико-механическую установку со схемой детектирования, основанной на временном подсчете фотонов, вытекающих из резонатора. Выполняя моделирование и прибегая к байесовскому выводу, мы демонстрируем, что неклассические корреляции обнаруженных фотонов могут существенно повысить производительность датчика в реальном времени. Мы считаем, что наша работа может стимулировать новое направление в разработке таких устройств, в то время как наши методы применимы и к другим платформам, использующим нелинейные взаимодействия света и материи и обнаружение фотонов.
Рекомендуемое изображение: апостериорные распределения на основе зондирования с непрерывным подсчетом фотонов.
Популярное резюме
Между тем, методы, включающие непрерывный мониторинг системы для задач квантового зондирования, продемонстрировали свою высокую эффективность. Здесь вместо того, чтобы подготавливать систему к определенному состоянию и выполнять оптимальное однократное измерение, системе позволяют развиваться с течением времени, и отслеживается статистика ее выбросов. Таким образом, неизвестный системный параметр может быть хорошо оценен даже по одной квантовой траектории.
Здесь мы объединяем эти два наблюдения, используя статистику фотонов нелинейной оптомеханической системы для оценки неизвестных параметров, таких как сила оптомеханической связи. Мы видим, как неклассическая статистика нелинейной оптико-механической системы дает превосходные результаты всего на одной квантовой траектории даже при относительно небольшом числе испускаемых фотонов. Используя методы байесовского вывода, можно получить апостериорное распределение и сравнить его с характеристиками обнаружения оптимального однократного измерения. Мы демонстрируем, что по прошествии достаточного количества времени наша система непрерывного мониторинга способна превзойти систему, измеренную с помощью однократного измерения, и даем полезную информацию о разработке потенциальных новых схем датчиков для оптомеханических устройств.
► Данные BibTeX
► Рекомендации
[1] CK Law, "Взаимодействие между движущимся зеркалом и давлением излучения: формулировка Гамильтона", Phys. Ред. А 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] М. Аспельмейер, Т. Дж. Киппенберг и Ф. Марквардт, "Резонаторная оптомеханика", Rev Mod. физ. 86, 1391 (2014а).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] М. Аспельмейер, Т. Дж. Киппенберг и Ф. Марквардт, Оптомеханика полости: нано- и микромеханические резонаторы, взаимодействующие со светом (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen и GJ Milburn, Квантовая оптомеханика (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] С. Barzanjeh и др., "Оптомеханика для квантовых технологий", Nat. физ. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] К. Уиттл и др., «Приближение к основному состоянию движения 10-килограммового объекта», Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] Манчини С., Манько В.И., Томбези П. Пондеромоторное управление квантовой макроскопической когерентностью // Физ. Ред. А 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] Боуз С., Джейкобс К., Найт П. Л. Подготовка неклассических состояний в полостях с движущимся зеркалом // Физ. Ред. А 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] А. А. Клерк и Ф. Марквардт, «Основы теории резонаторной оптомеханики», (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] К. Гонсалес-Баллестеро и др., «Левитодинамика: левитация и управление микроскопическими объектами в вакууме», Science 374, eabg3027 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abg3027
[11] Ф. Теббенйоханнс и др., «Квантовый контроль наночастицы, оптически левитирующей в криогенном свободном пространстве», Nature 595, 378 (2021).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-ш
[12] Н. Кизель и др., «Охлаждение полости оптически левитирующей субмикронной частицы», PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] Ф. Бреннеке и др., «Оптомеханика резонатора с конденсатом Бозе-Эйнштейна», Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1163218
[14] К. В. Марч и др., «Наблюдение обратного действия квантовых измерений с ультрахолодным атомарным газом», Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965
[15] DWC Brooks и др., «Неклассический свет, генерируемый квантово-шумовой оптомеханикой резонатора», Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] М. Эйхенфилд и др., «Оптомеханические кристаллы», Nature 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] Дж. Чан и др., «Лазерное охлаждение наномеханического генератора до его квантового основного состояния», Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] Р. Ридингер и др., «Удаленная квантовая запутанность между двумя микромеханическими осцилляторами», Nature 556, 473 (2018).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-г
[19] Д.К. Армани и др., «Тороидный микрорезонатор сверхвысокой добротности на чипе», Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson, et al., «Управление механическим генератором на основе измерений при его тепловой декогерентности», Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] В. Судхир и др., "Появление и исчезновение квантовых корреляций в управлении обратной связью на основе измерений механического генератора", Phys. Ред. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] М. Росси и др., «Квантовый контроль механического движения на основе измерений», Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] К. Ивасава и др., "Оценка движения зеркала с квантовым ограничением", Phys. Преподобный Летт. 111, 163602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek и др., "Оценка оптимального состояния оптомеханических систем резонатора", Phys. Преподобный Летт. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] М. Росси и др., "Наблюдение и проверка квантовой траектории механического резонатора", Phys. Преподобный Летт. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] А. Сеттер и др., "Фильтр Калмана в реальном времени: охлаждение оптически левитирующей наночастицы", Phys. Ред. А 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] Д. Мейсон и др., «Непрерывное измерение силы и смещения ниже стандартного квантового предела», Nat. физ. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] Л. Магрини и др., «Оптимальное квантовое управление механическим движением в реальном времени при комнатной температуре», Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] Д. Витали и др., "Оптомеханическая запутанность между подвижным зеркалом и полем резонатора", Phys. Преподобный Летт. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes и др., "Основное охлаждение микромеханического генератора: сравнение холодного демпфирования и схем охлаждения с резонаторами", Phys. Ред. А 77, 033804 (2008а).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] И. Уилсон-Рэй и др., «Обратное охлаждение механических резонаторов с помощью резонатора», New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Ю.-К. Лю и др., "Динамическое диссипативное охлаждение механического резонатора в оптомеханике сильной связи", Phys. Преподобный Летт. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] А. Ферраро, С. Оливарес и МГА Париж, Гауссовы состояния в квантовой информации с непрерывными переменными (Библиополис, Неаполь, 2005).
Arxiv: колич-фот / 0503237
[34] С.Г. Хофер и К. Хаммерер, Достижения в атомной, молекулярной и оптической физике, Vol. 66, под редакцией Э. Аримондо, С. К. Линя и С. Ф. Елина (Academic Press, 2017), стр. 263–374.
https: / / doi.org/ 10.1016 / bs.aamop.2017.03.003
[35] А. Д. О'Коннелл и др., «Квантовое основное состояние и однофононное управление механическим резонатором», Nature 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] К. Станнигель и др., "Оптомеханическая квантовая обработка информации с фотонами и фононами", Phys. Преподобный Летт. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] Т. Рамос и др., "Нелинейная квантовая оптомеханика с помощью отдельных внутренних двухуровневых дефектов", Phys. Преподобный Летт. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] А. П. Рид и др., «Точное преобразование распространяющейся квантовой информации в механическое движение», Nature Phys 13, 1163 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4251
[39] Дж. Д. Тойфель и др., «Электромеханика резонатора цепи в режиме сильной связи», Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] С. Кварфорт и др., "Основное уравнение обработки нелинейных оптомеханических систем с оптическими потерями", Phys. Ред. А 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Ван и др., «Сверхэффективное охлаждение резонаторов: охлаждение боковой полосы с квантовым управлением», Phys. Преподобный Летт. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] В. Бергхольм и др., "Оптимальное управление гибридными оптомеханическими системами для генерации неклассических состояний механического движения", Quantum Sci. Технол. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] Нунненкамп А., Бёркье К., Гирвин С.М. Однофотонная оптомеханика // Phys. Преподобный Летт. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] П. Рабл, "Эффект фотонной блокады в оптомеханических системах", Phys. Преподобный Летт. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] Х.-У. Сюй, Ю.-Дж. Ли и Ю.-х. Лю, "Фотонное туннелирование в оптомеханических системах", Phys. Ред. А 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] Кронвальд А., Людвиг М., Марквардт Ф. Полная фотонная статистика светового луча, прошедшего через оптомеханическую систему // Физ. Ред. А 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] Кларк Л.А., Стоукс А., Беж А. Метрология квантовых скачков // Phys. Ред. А 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] С. Кварфорт и др., "Гравиметрия с помощью нелинейной оптомеханики", Нац. коммун. 9, 1 (2018).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-г
[49] С. Кварфорт и др., "Оптимальная оценка зависящих от времени гравитационных полей с помощью квантовых оптомеханических систем", Phys. Преподобный Рез. 3, 013159 (2021б).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] С. М. Кей, Основы статистической обработки сигналов: теория оценки (Прентис Холл, 1993).
https: / / dl.acm.org/ дои / 10.5555 / 151045
[51] MGA Paris, «Квантовая оценка для квантовых технологий», Int. J. Квантовая инф. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] Дж. Д. Коэн и др., «Подсчет фононов и интерферометрия интенсивности наномеханического резонатора», Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] И. Галинский и др., «Фононная термометрия ультракогерентного мембранного резонатора вблизи его основного подвижного состояния», Оптика, 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] Н. Фиаски и др., "Оптомеханическая квантовая телепортация", Нац. Фотон. 15, 817 (2021).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-г
[55] К. Джейкобс, Теория квантовых измерений и ее приложения (издательство Кембриджского университета, Кембридж, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] С. Гаммельмарк и К. Молмер, "Байесовский вывод параметров из непрерывно контролируемых квантовых систем", Phys. Ред. А 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio и A. Xuereb, "Оптимальная оценка силы оптомеханической связи", Phys. Ред. А 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg и др., "Мембранная сканирующая силовая микроскопия", Phys. Преподобный заявл. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees и KL Bell, Байесовские границы для оценки параметров и нелинейной фильтрации/отслеживания (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ дои / 10.5555 / 1296178
[60] Ф. Альбарелли и др., «Предельные ограничения для квантовой магнитометрии с помощью непрерывных во времени измерений», New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich и K. Mølmer, "Оценка параметров взаимодействия атомов путем подсчета фотонов", Phys. Ред. А 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] Чанг Д.Е., Вулетич В., Лукин М.Д. Квантовая нелинейная оптика — фотон за фотоном // Нац. Фотоника 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer и G. Rempe, "Квантовые сети на основе резонаторов с отдельными атомами и оптическими фотонами", Rev. Mod. физ. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] Т. Пейронель и др., «Квантовая нелинейная оптика с одиночными фотонами, активированными сильно взаимодействующими атомами», Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl, et al., "Переходные процессы корреляции фотонов в слабо заблокированном ридберговском ансамбле", J. Phys. Летучая мышь. Мол. Опц. физ. 53, 084005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab728f
[66] А. С. Прасад и др., «Корреляция фотонов с использованием коллективного нелинейного отклика атомов, слабо связанных с оптическим режимом», Nat. Фотоника 14, 719 (2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-г
[67] C. Genes и др., "Надежная запутанность микромеханического резонатора с выходными оптическими полями", Phys. Ред. А 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] М.К. Шмидт и др., «Корреляции фотонов с частотным разрешением в оптомеханике резонатора», Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569
[69] K. Børkje, F. Massel и JGE Harris, "Неклассическая фотонная статистика в двухтональной непрерывно управляемой оптомеханике", Phys. Ред. А 104, 063507 (2021 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] Х.-П. Брейер и Ф. Петруччионе, Теория открытых квантовых систем (Oxford University Press, 2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: осо / 9780199213900.001.0001
[71] Дж. Далибард, Ю. Кастин и К. Молмер, "Подход волновой функции к диссипативным процессам в квантовой оптике", Phys. Преподобный Летт. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] Мёльмер К., Кастин Ю., Далибар Дж. Метод волновой функции Монте-Карло в квантовой оптике // J. Opt. соц. Являюсь. В 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] Г. Хегерфельдт, «Как сбросить атом после обнаружения фотона: приложения к процессам подсчета фотонов», Phys. Ред. А 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] Х. Кармайкл, Подход открытых систем к квантовой оптике (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] М.Б. Пленио и П.Л. Найт, "Подход квантового скачка к диссипативной динамике в квантовой оптике", Rev. Mod. физ. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] К. Мельмер и Ю. Кастин, «Волновые функции Монте-Карло в квантовой оптике», Квантовая и полуклассическая оптика: Журнал Европейского оптического общества, часть B 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] Р. Городецки и др., "Квантовая запутанность", Rev. Mod. физ. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] О. Gühne и G. Tóth, "Обнаружение запутанности", Phys. Отчет 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] К. Гардинер и П. Золлер, Квантовый шум: Справочник по марковским и немарковским квантово-стохастическим методам с приложениями к квантовой оптике (Springer Science & Business Media, 2004).
https: / / link.springer.com/book / 9783540223016
[80] К. П. Мерфи, Машинное обучение: вероятностная перспектива (MIT Press, 2012).
https: / / dl.acm.org/ doi / book / 10.5555 / 2380985
[81] Ю. Ли и др., «Частотная и байесовская квантовая фазовая оценка», Entropy 20, 628 (2018).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e20090628
[82] HL van Trees, Теория обнаружения, оценки и модуляции, Vol. Я (Уайли, 1968).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 0471221082
[83] А. В. ван дер Ваарт, Асимптотическая статистика (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256
[84] С. Л. Браунштейн и К. Кейвс, "Статистическое расстояние и геометрия квантовых состояний", Phys. Преподобный Летт. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan и C.-HF Fung, "Оценка квантовых параметров с общей динамикой", npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] С. Чжоу и Л. Цзян, «Точное соответствие между квантовой информацией Фишера и метрикой Буреса», arXiv: 1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
Arxiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark и K. Mølmer, "Информация Фишера и квантовый предел чувствительности Крамера-Рао непрерывных измерений", Phys. Преподобный Летт. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa и J. Kołodyński, "Шумная атомная магнитометрия в реальном времени", New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] М. Людвиг, Б. Кубала и Ф. Марквардт, "Оптомеханическая нестабильность в квантовом режиме", New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Цитируется
Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2022-09-20 11:18:54: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2022-09-20-812 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно. На САО / НАСА ADS Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2022-09-20 11:18:54).
Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.
