Utnyttja icke-linjära effekter i optomekaniska sensorer med kontinuerlig fotonräkning

Tidsstämpel: 20 september, 2022 7:14

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

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

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Optomekaniska system håller snabbt på att bli en av de mest lovande plattformarna för att observera kvantbeteende, särskilt på makroskopisk nivå. Dessutom, tack vare sina toppmoderna tillverkningsmetoder, kan de nu komma in i regimer av icke-linjära interaktioner mellan deras ingående mekaniska och optiska frihetsgrader. I detta arbete visar vi hur denna nya möjlighet kan tjäna till att konstruera en ny generation optomekaniska sensorer. Vi betraktar den kanoniska optomekaniska inställningen med detektionsschemat baserat på tidsupplöst räkning av fotoner som läcker från kaviteten. Genom att utföra simuleringar och tillgripa Bayesiansk slutledning, visar vi att de icke-klassiska korrelationerna för de detekterade fotonerna avsevärt kan förbättra sensorprestandan i realtid. Vi tror att vårt arbete kan stimulera en ny riktning i designen av sådana enheter, medan våra metoder även gäller för andra plattformar som utnyttjar icke-linjära ljus-materia-interaktioner och fotondetektion.

Utnyttja icke-linjära effekter i optomekaniska sensorer med kontinuerlig fotonräkning PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: Posteriora distributioner baserade på avkänning med kontinuerlig fotonräkning.

Populär sammanfattning

Optomekanik spänner över en mängd olika fysiska system som involverar ljuskoppling till mekanisk rörelse. Dessutom är de vanligtvis några av de mest tillgängliga kandidaterna för att undersöka kvanteffekter i naturen. Oftast betraktas optomekaniska system i den linjära regimen, där den optiska drivningen av systemet är stark eller den ljusmekaniska kopplingen är svag. Sådana system uppvisar emellertid i allmänhet mindre kvantegenskaper. När man går in i den icke-linjära regimen förbättras systemets kvantbeteende, vilket också kan resultera i produktion av mycket icke-klassiskt ljus. Även om det fortfarande är experimentellt utmanande att uppnå, är fördelarna med att arbeta inom den icke-linjära regimen tydliga.

Samtidigt har tekniker som involverar kontinuerlig övervakning av ett system för kvantavkänningsuppgifter visat sig vara mycket effektiva. Här, istället för att förbereda systemet i ett specifikt tillstånd och utföra en optimal engångsmätning, tillåts systemet att utvecklas över tiden och dess emissionsstatistik övervakas. Genom att göra det kan en okänd systemparameter uppskattas väl, även från en enda kvantbana.

Här kombinerar vi dessa två observationer genom att använda fotonstatistiken för ett icke-linjärt optomekaniskt system för att uppskatta okända parametrar, såsom den optomekaniska kopplingsstyrkan. Vi ser hur den icke-klassiska statistiken för det icke-linjära optomekaniska systemet ger utmärkta resultat från bara en enda kvantbana, även med ett relativt lågt antal fotonemissioner. Genom att använda teknikerna för Bayesiansk slutledning kan en bakre fördelning erhållas och jämföras med avkänningsprestandan för en optimal engångsmätning. Vi visar att efter tillräckligt lång tid kan vårt kontinuerligt övervakade system överträffa ett system som mäts med en engångsmätning, och ger användbar insikt i att designa potentiella nya avkänningsscheman för optomekaniska enheter.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] CK Law, "Interaktion mellan en rörlig spegel och strålningstryck: En Hamiltonsk formulering," Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537

[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg och F. Marquardt, "Cavity optomechanics," Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391

[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg och F. Marquardt, Kavitetsoptomekanik: nano- och mikromekaniska resonatorer som interagerar med ljus (Springer, 2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55312-7

[4] WP Bowen och GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https: / / doi.org/ 10.1201 / b19379

[5] S. Barzanjeh, et al., "Optomechanics for quantum technology," Nat. Phys. 18, 15 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01402-0

[6] C. Whittle, et al., "Att närma sig det rörelsemässiga marktillståndet för ett 10 kg-objekt", Science 372, 1333 (2021).
https://​doi.org/​10.1126/​science.abh2634

[7] S. Mancini, VI Man'ko och P. Tombesi, "Ponderomotiv kontroll av kvantmakroskopisk koherens," Phys. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042

[8] S. Bose, K. Jacobs och PL Knight, "Förberedelse av icke-klassiska tillstånd i hålrum med en rörlig spegel," Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175

[9] AA Clerk och F. Marquardt, "Basic theory of cavity optomechanics," (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55312-7_2

[10] C. Gonzalez-Ballestero, et al., "Levitodynamik: Levitation och kontroll av mikroskopiska föremål i vakuum," Science 374, eabg3027 (2021).
https://doi.org/ 10.1126/science.abg3027

[11] F. Tebbenjohanns, et al., "Kvantkontroll av en nanopartikel som optiskt svävar i kryogent fritt utrymme," 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., "Observation av kvantmätning bakverkan med en ultrakall atomär gas," Nature Phys 4, 561 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys965

[15] DWC Brooks, et al., "Icke-klassiskt ljus genererat av kvantbrusdriven kavitetsoptomekanik," 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., "Laserkylning av en nanomekanisk oscillator till dess kvantgrundtillstånd," Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461

[18] R. Riedinger, et al., "Fjärr kvantentanglement between two micromechanical oscillators," 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., "Mätningsbaserad kontroll av en mekanisk oscillator vid dess termiska dekoherenshastighet," Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672

[21] V. Sudhir, et al., "Utseende och försvinnande av kvantkorrelationer i mätningsbaserad återkopplingskontroll av en mekanisk oscillator," Phys. Rev. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001

[22] M. Rossi, et al., "Mätningsbaserad kvantkontroll av mekanisk rörelse," 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., "Observera och verifiera kvantbanan för en mekanisk resonator," Phys. Rev. Lett. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601

[26] A. Setter, et al., "Kalmanfilter i realtid: Kylning av en optiskt leviterad nanopartikel," Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822

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

[28] L. Magrini, et al., "Optimal kvantkontroll i realtid av mekanisk rörelse vid rumstemperatur," 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., "Kylning i marktillstånd av en mikromekanisk oscillator: Jämföra kalldämpning och kavitetsstödda kylningsscheman," 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 kylning av en mekanisk resonator i stark kopplingsoptomekanik," Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606

[33] A. Ferraro, S. Olivares och MGA Paris, Gaussiska tillstånd i kontinuerlig variabel kvantinformation (Bibliopolis, Napoli, 2005).
arXiv: kvant-ph / 0503237

[34] SG Hofer och K. Hammerer, i Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, redigerad av E. Arimondo, CC Lin och 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., "Icke-linjär kvantoptomekanik via individuella inneboende tvånivådefekter," Phys. Rev. Lett. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602

[38] AP Reed, et al., "Trogen omvandling av spridande kvantinformation till mekanisk rörelse," 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 olinjära optomekaniska system med optisk förlust," Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501

[41] X. Wang, et al., "Ultraeffektiv kylning av resonatorer: Beating sidbandskylning med kvantkontroll," Phys. Rev. Lett. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204

[42] V. Bergholm, et al., "Optimal kontroll av hybridoptomekaniska system för att generera icke-klassiska tillstånd av mekanisk rörelse," Quantum Sci. Technol. 4, 034001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682

[43] A. Nunnenkamp, ​​K. Børkje och SM Girvin, "Single-photon optomechanics," Phys. Rev. Lett. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602

[44] P. Rabl, "Fotonblockadeffekt i optomekaniska system," Phys. Rev. Lett. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601

[45] X.-W. Xu, Y.-J. Li och Y.-x. Liu, "Fotoinducerad tunnling i optomekaniska system," Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803

[46] A. Kronwald, M. Ludwig och F. Marquardt, "Full fotonstatistik för en ljusstråle som sänds genom ett optomekaniskt system," Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847

[47] LA Clark, A. Stokes och 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 genom icke-linjär optomekanik," Nat. Commun. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z

[49] S. Qvarfort, et al., "Optimal uppskattning av tidsberoende gravitationsfält med kvantoptomekaniska system," 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, "Quantum estimering for quantum technology," Int. J. Quantum Inf. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839

[52] JD Cohen, et al., "Phonon counting and intensity interferometry of a nanomechanical resonator," Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349

[53] I. Galinskiy, et al., "Fononräkningstermometri för en ultrakoherent membranresonator nära dess rörelsegrundtillstånd," 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, Quantum Measurement Theory and its Applications (Cambridge University Press, Cambridge, 2014).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027

[56] S. Gammelmark och K. Molmer, "Bayesian parameterinferens från kontinuerligt övervakade kvantsystem," Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115

[57] JZ Bernád, C. Sanavio och A. Xuereb, "Optimal uppskattning av den optomekaniska kopplingshållfastheten," 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 och KL Bell, Bayesianska gränser för parameteruppskattning och icke-linjär filtrering/spårning (Wiley, 2007).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 1296178

[60] F. Albarelli, et al., "Ultima gränser för kvantmagnetometri via tidskontinuerliga mätningar," New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1088 / ⠀ <1367-2630 / ⠀ <aa9840

[61] AH Kiilerich och K. Mølmer, "Uppskattning av atomära interaktionsparametrar genom fotonräkning," Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110

[62] DE Chang, V. Vuletić och MD Lukin, "Quantum olinjär optik — foton för foton," Nat. Photonics 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192

[63] A. Reiserer och G. Rempe, "Cavity-baserade kvantnätverk med enstaka atomer och optiska fotoner," Rev. Mod. Phys. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379

[64] T. Peyronel, et al., "Quantum olinjär optik med enstaka fotoner som möjliggörs av starkt interagerande 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. Fladdermus. Mol. Välja. Phys. 53, 084005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab728f

[66] AS Prasad, et al., "Korrelera fotoner med hjälp av det kollektiva olinjära svaret från atomer som är svagt kopplade till ett optiskt läge," Nat. Photonics 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z

[67] C. Genes, et al., "Robust intrassling av en mikromekanisk resonator med utgående optiska fält," 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 och JGE Harris, "Icke-klassisk fotonstatistik i tvåtons kontinuerligt driven optomekanik," Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507

[70] H.-P. Breuer och 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, och K. Molmer, "Wave-funktion tillvägagångssätt för dissipativa processer i kvantoptik," Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580

[72] K. Mølmer, Y. Castin och J. Dalibard, "Monte carlo wave-function method in quantum optics," J. Opt. Soc. Am. B 10, 524 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524

[73] GC Hegerfeldt, "Hur man återställer en atom efter en fotondetektion: Tillämpningar på fotonräkningsprocesser," 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 och PL Knight, "Quant-jump approach till dissipativ dynamik i kvantoptik," Rev. Mod. Phys. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101

[76] K. Mølmer och 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 och G. Tóth, "Entanglement detection," Phys. Rep. 474, 1 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[79] C. Gardiner och 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, Asymptotic Statistics (Cambridge University Press, 1998).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256

[84] SL Braunstein och CM Caves, "Statistiskt avstånd och kvanttillståndens geometri," Phys. Rev. Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439

[85] H. Yuan och C.-HF Fung, "Quantum parameter estimation with general dynamics," npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0014-6

[86] S. Zhou och L. Jiang, "An exact correspondence between the quantum Fisher information and the Bures metric," arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473

[87] S. Gammelmark och K. Mølmer, "Fisher information and the quantum cramér-rao sensitivitetsgräns för kontinuerliga mätningar," Phys. Rev. Lett. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401

[88] J. Amoros-Binefa och 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 och F. Marquardt, "Den optomekaniska instabiliteten i kvantregimen," New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​9/​095013

Citerad av

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under sista försök 2022-09-20 11:18:54: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2022-09-20-812 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen. På SAO / NASA ADS Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2022-09-20 11:18:54).

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal