1Center za kvantne optične tehnologije, Center za nove tehnologije, Univerza v Varšavi, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Poljska
2Fakulteta za fiziko, Univerza v Varšavi, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Poljska
Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.
Minimalizem
Optomehanski sistemi hitro postajajo ena najbolj obetavnih platform za opazovanje kvantnega vedenja, zlasti na makroskopski ravni. Poleg tega lahko zahvaljujoč njihovim najsodobnejšim metodam izdelave zdaj vstopijo v režime nelinearnih interakcij med njihovimi mehanskimi in optičnimi stopnjami svobode. V tem delu prikazujemo, kako lahko ta nova priložnost služi za izdelavo nove generacije optomehanskih senzorjev. Upoštevamo kanonično optomehansko nastavitev s shemo zaznavanja, ki temelji na časovno ločenem štetju fotonov, ki uhajajo iz votline. Z izvajanjem simulacij in uporabo Bayesovega sklepanja dokazujemo, da lahko neklasične korelacije zaznanih fotonov bistveno izboljšajo delovanje senzorja v realnem času. Verjamemo, da lahko naše delo spodbudi novo smer pri oblikovanju takšnih naprav, medtem ko naše metode veljajo tudi za druge platforme, ki izkoriščajo nelinearne interakcije svetlobe in snovi ter zaznavanje fotonov.
Predstavljena slika: posteriorne porazdelitve na podlagi zaznavanja z neprekinjenim štetjem fotonov.
Priljubljen povzetek
Medtem so se tehnike, ki vključujejo stalno spremljanje sistema za naloge kvantnega zaznavanja, izkazale za zelo učinkovite. Tukaj je namesto priprave sistema v določenem stanju in izvedbe optimalne enojne meritve dovoljeno, da se sistem sčasoma razvija in spremlja statistika emisij. S tem je mogoče dobro oceniti neznan sistemski parameter, tudi iz ene same kvantne trajektorije.
Tukaj združujemo ti dve opazki z uporabo fotonske statistike nelinearnega optomehanskega sistema za oceno neznanih parametrov, kot je optomehanska spojna moč. Vidimo, kako neklasična statistika nelinearnega optomehanskega sistema daje odlične rezultate iz samo ene same kvantne trajektorije, tudi z relativno majhnim številom emisij fotonov. Z uporabo tehnik Bayesovega sklepanja je mogoče pridobiti posteriorno porazdelitev in jo primerjati z zmogljivostjo zaznavanja pri optimalni enojni meritvi. Dokazujemo, da je po zadostnem času naš sistem z neprekinjenim spremljanjem sposoben preseči sistem, izmerjen z meritvijo z enim posnetkom, in nudimo uporaben vpogled v načrtovanje morebitnih novih shem zaznavanja za optomehanske naprave.
► BibTeX podatki
► Reference
[1] CK Law, "Interakcija med premikajočim se ogledalom in sevalnim tlakom: Hamiltonova formulacija", Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg in F. Marquardt, »Optomehanika votline«, Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg in F. Marquardt, Cavity Optomechanics: Nano- in Micromechanical Resonators Interacting with Light (Springer, 2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7
[4] WP Bowen in GJ Milburn, Kvantna optomehanika (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379
[5] S. Barzanjeh, et al., »Optomehanika za kvantne tehnologije«, Nat. Phys. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle, et al., »Približevanje gibljivemu osnovnemu stanju 10-kg predmeta,« Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] S. Mancini, VI Man'ko in P. Tombesi, “Ponderomotive control of quantum macroscopic coherence,” Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs in PL Knight, "Priprava neklasičnih stanj v votlinah s premikajočim se zrcalom", Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] AA Clerk in F. Marquardt, »Osnovna teorija optomehanike votlin« (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero, et al., »Levitodinamika: Levitacija in nadzor mikroskopskih predmetov v vakuumu,« Science 374, eabg3027 (2021).
https://doi.org/ 10.1126/science.abg3027
[11] F. Tebbenjohanns, et al., »Kvantni nadzor nanodelcev, ki optično levitirajo v kriogenem prostem prostoru,« Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] N. Kiesel, et al., “Hlajenje votline optično levitiranega submikronskega delca,” PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] F. Brennecke, et al., »Optomehanika votlin z bose-einsteinovim kondenzatom,« Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / znanost.1163218
[14] KW Murch, et al., “Opazovanje povratnega delovanja kvantnih meritev z ultrahladnim atomskim plinom,” Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965
[15] DWC Brooks, et al., »Neklasična svetloba, ki jo ustvarja optomehanika votline, ki jo poganja kvantni šum,« Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] M. Eichenfield, et al., »Optomehanski kristali«, Nature 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] J. Chan, et al., »Lasersko hlajenje nanomehanskega oscilatorja v njegovo kvantno osnovno stanje,« Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] R. Riedinger et al., »Oddaljena kvantna prepletenost med dvema mikromehanskima oscilatorjema«, Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] DK Armani, et al., “Ultra-high-Q toroidna mikrovotlina na čipu,” Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson, et al., »Kontrola mehanskega oscilatorja na osnovi meritev pri njegovi stopnji toplotne dekoherence«, Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir, et al., “Pojav in izginotje kvantnih korelacij pri krmiljenju mehanskega oscilatorja s povratnimi informacijami na podlagi meritev,” Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] M. Rossi, et al., »Kvantni nadzor mehanskega gibanja na podlagi meritev,« Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] K. Iwasawa, et al., »Kvantno omejena ocena gibanja zrcala«, Phys. Rev. Lett. 111, 163602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek, et al., »Ocena optimalnega stanja za optomehanske sisteme z votlinami«, Phys. Rev. Lett. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi, et al., “Opazovanje in preverjanje kvantne trajektorije mehanskega resonatorja,” Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] A. Setter, et al., »Kalmanov filter v realnem času: hlajenje optično levitiranega nanodelca,« Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, et al., »Neprekinjeno merjenje sile in premika pod standardno kvantno mejo,« Nat. Phys. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] L. Magrini, et al., »Optimalni kvantni nadzor mehanskega gibanja pri sobni temperaturi v realnem času,« Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] D. Vitali, et al., »Optomehansko prepletanje med premičnim ogledalom in poljem votline«, Phys. Rev. Lett. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes, et al., »Hlajenje v osnovnem stanju mikromehanskega oscilatorja: primerjava shem dušenja hladnega in hlajenja s pomočjo votline,« Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae, et al., “Hlajenje mehanskih resonatorjev s pomočjo povratnega delovanja s pomočjo votline,” New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Y.-C. Liu, et al., "Dinamično disipativno hlajenje mehanskega resonatorja v optomehaniki močnega sklopa", Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] A. Ferraro, S. Olivares in MGA Paris, Gaussova stanja v zvezni spremenljivi kvantni informaciji (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: kvant-ph / 0503237
[34] SG Hofer in K. Hammerer, v Napredek v atomski, molekularni in optični fiziki, Vol. 66, uredili E. Arimondo, CC Lin in SF Yelin (Academic Press, 2017) str. 263–374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell, et al., “Kvantno osnovno stanje in enofononska kontrola mehanskega resonatorja,” Nature 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] K. Stannigel, et al., »Optomehanska kvantna obdelava informacij s fotoni in fononi«, Phys. Rev. Lett. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] T. Ramos, et al., »Nelinearna kvantna optomehanika prek posameznih intrinzičnih dvonivojskih napak«, Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] AP Reed, et al., »Zvesta pretvorba širjenja kvantnih informacij v mehansko gibanje,« Nature Phys 13, 1163 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4251
[39] JD Teufel, et al., »Elektromehanika votline vezja v režimu močne sklopitve«, Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] S. Qvarfort, et al., “Obravnava z glavno enačbo nelinearnih optomehanskih sistemov z optično izgubo,” Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, et al., »Ultraučinkovito hlajenje resonatorjev: premagovanje stranskega hlajenja s kvantnim nadzorom,« Phys. Rev. Lett. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm, et al., »Optimalni nadzor hibridnih optomehanskih sistemov za generiranje neklasičnih stanj mehanskega gibanja«, Quantum Sci. Technol. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje in SM Girvin, »Enofotonska optomehanika«, Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, “Učinek fotonske blokade v optomehanskih sistemih,” Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li in Y.-x. Liu, "Fotonsko inducirano tuneliranje v optomehanskih sistemih", Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig in F. Marquardt, “Popolna fotonska statistika svetlobnega žarka, ki se prenaša skozi optomehanski sistem,” Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] LA Clark, A. Stokes in A. Beige, »Quantum jump merology«, Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., »Gravimetrija skozi nelinearno optomehaniko«, Nat. Komun. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] S. Qvarfort, et al., »Optimalna ocena časovno odvisnih gravitacijskih polj s kvantnimi optomehanskimi sistemi«, Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] SM Kay, Osnove statistične obdelave signalov: teorija ocenjevanja (Prentice Hall, 1993).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 151045
[51] MGA Paris, “Kvantna ocena za kvantno tehnologijo,” Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] JD Cohen, et al., »Štetje fononov in intenzivnostna interferometrija nanomehanskega resonatorja«, Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] I. Galinskiy, et al., »Termometrija s štetjem fononov ultrakoherentnega membranskega resonatorja blizu njegovega gibljivega osnovnega stanja«, Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi, et al., »Optomehanska kvantna teleportacija«, Nat. Foton. 15, 817 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z
[55] K. Jacobs, Kvantna merilna teorija in njene aplikacije (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027
[56] S. Gammelmark in K. Molmer, “Bayesovo sklepanje parametrov iz nenehno nadzorovanih kvantnih sistemov,” Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio in A. Xuereb, »Optimalna ocena optomehanske spojne moči«, 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 in KL Bell, Bayesove meje za oceno parametrov in nelinearno filtriranje/sledenje (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178
[60] F. Albarelli, et al., “Končne meje za kvantno magnetometrijo prek časovno neprekinjenih meritev,” New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840
[61] AH Kiilerich in K. Mølmer, »Ocena parametrov atomske interakcije s štetjem fotonov«, Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić in MD Lukin, »Kvantna nelinearna optika — foton za fotonom«, Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer in G. Rempe, »Kvantna omrežja na osnovi votline z enojnimi atomi in optičnimi fotoni,« Rev. Mod. Phys. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] T. Peyronel, et al., »Kvantna nelinearna optika z enojnimi fotoni, ki jih omogočajo močno medsebojno delujoči atomi,« Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl, et al., »Fotonski korelacijski prehodi v šibko blokirani rydbergovi zasedbi«, J. Phys. Netopir. Mol. Opt. Phys. 53, 084005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab728f
[66] AS Prasad, et al., "Korelacija fotonov z uporabo kolektivnega nelinearnega odziva atomov, ki so šibko povezani z optičnim načinom", Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Genes, et al., “Robustno prepletanje mikromehanskega resonatorja z izhodnimi optičnimi polji,” Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt, et al., »Frekvenčno ločene fotonske korelacije v optomehaniki votline«, Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569
[69] K. Børkje, F. Massel in JGE Harris, »Neklasična fotonska statistika v dvotonski kontinuirano vodeni optomehaniki«, Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] H.-P. Breuer in F. Petruccione, Teorija odprtih kvantnih sistemov (Oxford University Press, 2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin in K. Molmer, »Pristop valovne funkcije k disipativnim procesom v kvantni optiki«, Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin in J. Dalibard, »Metoda valovne funkcije Monte Carlo v kvantni optiki«, J. Opt. Soc. Am. B 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, "Kako ponastaviti atom po zaznavi fotona: aplikacije za procese štetja fotonov", Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] H. Carmichael, Odprti sistemski pristop k kvantni optiki (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio in PL Knight, »Pristop kvantnega skoka k disipativni dinamiki v kvantni optiki,« Rev. Mod. Phys. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer in Y. Castin, »Monte Carlo valovne funkcije v kvantni optiki,« Kvantna in semiklasična optika: Journal of the European Optical Society, del B 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] R. Horodecki, et al., “Kvantna prepletenost,” Rev. Mod. Phys. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] O. Gühne in G. Tóth, »Odkrivanje zapletenosti«, Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner in P. Zoller, Kvantni šum: priročnik markovskih in nemarkovskih kvantnih stohastičnih metod z aplikacijami za kvantno optiko (Springer Science & Business Media, 2004).
https: / / link.springer.com/ book / 9783540223016
[80] KP Murphy, Strojno učenje: verjetnostna perspektiva (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, Asimptotična statistika (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256
[84] SL Braunstein in CM Caves, "Statistical distance and the geometry of quantum states", Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan in C.-HF Fung, »Ocena kvantnega parametra s splošno dinamiko«, npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] S. Zhou in L. Jiang, »Natančno ujemanje med kvantno Fisherjevo informacijo in Buresovo metriko,« arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark in K. Mølmer, »Informacije Fisher in kvantna meja občutljivosti Cramér-rao neprekinjenih meritev,« Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa in J. Kołodyński, »Hrupna atomska magnetometrija v realnem času«, New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] M. Ludwig, B. Kubala in F. Marquardt, »Optomehanska nestabilnost v kvantnem režimu«, New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Navedel
Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2022-09-20 11:18:54: ni bilo mogoče pridobiti navajanih podatkov za 10.22331 / q-2022-09-20-812 od podjetja Crossref. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim. Na SAO / NASA ADS ni bilo najdenih podatkov o navajanju del (zadnji poskus 2022-09-20 11:18:54).
Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.
