1Центр квантових оптичних технологій, Центр нових технологій, Варшавський університет, Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Poland
2Факультет фізики, Варшавський університет, Pasteura 5, 02-093 Warszawa, Poland
Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.
абстрактний
Оптомеханічні системи швидко стають однією з найбільш перспективних платформ для спостереження за квантовою поведінкою, особливо на макроскопічному рівні. Крім того, завдяки їхнім найсучаснішим методам виготовлення вони тепер можуть входити в режими нелінійної взаємодії між складовими механічними та оптичними ступенями свободи. У цій роботі ми показуємо, як ця нова можливість може допомогти створити нове покоління оптомеханічних датчиків. Розглянемо канонічну оптико-механічну установку зі схемою детектування, яка базується на підрахунку фотонів, що витікають з резонатора, з роздільною здатністю в часі. Виконуючи моделювання та вдаючись до байєсівського висновку, ми демонструємо, що некласичні кореляції виявлених фотонів можуть суттєво покращити продуктивність датчика в реальному часі. Ми вважаємо, що наша робота може стимулювати новий напрямок у розробці таких пристроїв, тоді як наші методи також застосовуються до інших платформ, які використовують нелінійну взаємодію світла та матерії та детектування фотонів.
Рекомендоване зображення: задній розподіл на основі зондування з безперервним підрахунком фотонів.
Популярне резюме
Тим часом методики, що включають постійний моніторинг системи для завдань квантового зондування, продемонстрували високу ефективність. Тут замість того, щоб підготувати систему до певного стану та виконати оптимальне однократне вимірювання, системі дозволяється розвиватися з часом, а статистика її викидів контролюється. Таким чином можна добре оцінити невідомий параметр системи, навіть з однієї квантової траєкторії.
Тут ми об’єднуємо ці два спостереження, використовуючи статистику фотонів нелінійної оптико-механічної системи для оцінки невідомих параметрів, таких як сила оптомеханічного зв’язку. Ми бачимо, як некласична статистика нелінійної оптико-механічної системи дає чудові результати лише з однієї квантової траєкторії, навіть із відносно невеликою кількістю випромінювань фотонів. Використовуючи методи байєсівського логічного висновку, можна отримати апостеріорний розподіл і порівняти його з ефективністю сприйняття оптимального однократного вимірювання. Ми демонструємо, що через достатній проміжок часу наша система безперервного моніторингу здатна перевершити систему, виміряну за допомогою одноразового вимірювання, і надаємо корисну інформацію про розробку потенційних нових схем зондування для оптико-механічних пристроїв.
► Дані BibTeX
► Список літератури
[1] CK Law, «Взаємодія між рухомим дзеркалом і тиском випромінювання: гамільтоніанське формулювання», Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537
[2] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg, and F. Marquardt, “Cavity Optomechanics”, Rev. Mod. фіз. 86, 1391 (2014a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391
[3] M. Aspelmeyer, TJ Kippenberg, and 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 і GJ Milburn, Quantum Optomechanics (CRC Press, 2015).
https:///doi.org/10.1201/b19379
[5] S. Barzanjeh та ін., «Оптомеханіка для квантових технологій», Nat. фіз. 18, 15 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01402-0
[6] C. Whittle та ін., «Наближення до основного стану руху 10-кг об’єкта», Science 372, 1333 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abh2634
[7] С. Манчіні, В. І. Манько та П. Томбезі, “Пондеромоторне керування квантовою макроскопічною когерентністю”, Фіз. Rev. A 55, 3042 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042
[8] S. Bose, K. Jacobs і PL Knight, “Препарування некласичних станів у порожнинах з рухомим дзеркалом”, Phys. Rev. A 56, 4175 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175
[9] А. А. Клерк і Ф. Марквардт, «Базова теорія оптомеханіки порожнини» (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-55312-7_2
[10] C. Gonzalez-Ballestero та ін., «Левітодинаміка: левітація та контроль мікроскопічних об’єктів у вакуумі», Science 374, eabg3027 (2021).
https:///doi.org/10.1126/science.abg3027
[11] Ф. Теббенйоханнс та ін., «Квантове керування наночастинкою, яка оптично левітує в кріогенному вільному просторі», Nature 595, 378 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w
[12] Н. Кізель та ін., «Охолодження порожнини оптично левітованої субмікронної частинки», PNAS 110, 14180 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110
[13] Ф. Бреннеке та ін., «Оптомеханіка порожнини з бозе-ейнштейнівським конденсатом», Science 322, 235 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1163218
[14] KW Murch та ін., «Спостереження зворотної дії квантового вимірювання з ультрахолодним атомарним газом», Nature Phys 4, 561 (2008).
https:///doi.org/10.1038/nphys965
[15] DWC Brooks та ін., «Некласичне світло, створене оптомеханікою резонатора, що керується квантовим шумом», Nature 488, 476 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11325
[16] М. Ейхенфілд та ін., «Оптомеханічні кристали», Nature 462, 78 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08524
[17] Дж. Чен та ін., «Лазерне охолодження наномеханічного осцилятора до його квантового основного стану», Nature 478, 89 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10461
[18] Р. Рідінгер та ін., «Віддалена квантова заплутаність між двома мікромеханічними осциляторами», Nature 556, 473 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z
[19] Д. К. Армані та ін., «Тороїдна мікропорожнина з ультрависокою добротністю на кристалі», Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371
[20] DJ Wilson та ін., «Керування механічним осцилятором на основі вимірювань на його швидкості термічної декогеренції», Nature 524, 325 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14672
[21] V. Sudhir, et al., “Поява та зникнення квантових кореляцій у управлінні механічним осцилятором на основі вимірювань за допомогою зворотного зв’язку”, Phys. Ред. X 7, 011001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001
[22] М. Россі та ін., «Квантовий контроль механічного руху на основі вимірювань», Nature 563, 53 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
[23] К. Івасава та ін., “Квантово-обмежена оцінка дзеркального руху”, Phys. Преподобний Летт. 111, 163602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602
[24] W. Wieczorek та ін., «Оцінка оптимального стану для порожнинних оптомеханічних систем», Phys. Преподобний Летт. 114, 223601 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601
[25] M. Rossi та ін., «Спостереження та перевірка квантової траєкторії механічного резонатора», Phys. Преподобний Летт. 123, 163601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601
[26] А. Сеттер та ін., «Фільтр Калмана в реальному часі: охолодження оптично левітованої наночастинки», Phys. Rev. A 97, 033822 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822
[27] D. Mason, et al., “Постійне вимірювання сили та зміщення нижче стандартної квантової межі”, Nat. фіз. 15, 745 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0533-5
[28] Л. Магріні та ін., «Оптимальний квантовий контроль у реальному часі механічного руху при кімнатній температурі», Nature 595, 373 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3
[29] Д. Віталі та ін., «Оптомеханічне заплутування між рухомим дзеркалом і полем порожнини», Phys. Преподобний Летт. 98, 030405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405
[30] C. Genes та ін., «Охолодження в основному стані мікромеханічного осцилятора: порівняння схем холодного демпфування та охолодження за допомогою порожнини», Phys. Rev. A 77, 033804 (2008a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804
[31] I. Wilson-Rae, et al., “Cavy-assisted backaction cooling of механічні резонатори”, New J. Phys. 10, 095007 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095007
[32] Ю.-Ц. Liu та ін., «Динамічне дисипативне охолодження механічного резонатора в оптомеханіці сильного зв’язку», Phys. Преподобний Летт. 110, 153606 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606
[33] А. Ферраро, С. Оліварес і MGA Paris, стани Гауса в безперервній змінній квантовій інформації (Бібліополіс, Неаполь, 2005).
arXiv: quant-ph / 0503237
[34] SG Hofer and K. Hammerer, in Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol. 66, за редакцією E. Arimondo, CC Lin та SF Yelin (Academic Press, 2017) стор. 263–374.
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003
[35] AD O'Connell та ін., «Квантовий основний стан і однофононне керування механічним резонатором», Nature 464, 697 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08967
[36] K. Stannigel, et al., “Optomechanical Quantum Information Processing with Photons and Phonons,” Phys. Преподобний Летт. 109, 013603 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603
[37] Т. Рамос та ін., «Нелінійна квантова оптомеханіка через індивідуальні внутрішні дворівневі дефекти», Phys. Преподобний Летт. 110, 193602 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602
[38] А. П. Рід та ін., «Точне перетворення квантової інформації, що поширюється, у механічний рух», Nature Phys 13, 1163 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nphys4251
[39] JD Teufel та ін., «Електромеханіка порожнини ланцюга в режимі сильного зв’язку», Nature 471, 204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09898
[40] S. Qvarfort та ін., «Обробка головним рівнянням нелінійних оптомеханічних систем із оптичними втратами», Phys. Rev. A 104, 013501 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501
[41] X. Wang, та ін., «Надефективние охолодження резонаторів: подолання охолодження бічної смуги з квантовим керуванням», Phys. Преподобний Летт. 107, 177204 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204
[42] V. Bergholm, et al., “Оптимальне керування гібридними оптико-механічними системами для створення некласичних станів механічного руху”, Quantum Sci. технол. 4, 034001 (2019).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ab1682
[43] A. Nunnenkamp, K. Børkje та SM Girvin, “Однофотонна оптомеханіка”, Phys. Преподобний Летт. 107, 063602 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602
[44] P. Rabl, “Ефект фотонної блокади в оптико-механічних системах”, Phys. Преподобний Летт. 107, 063601 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601
[45] X.-W. Сюй, Ю.-Ж. Лі та Ю.-х. Лю, «Тунелювання, викликане фотонами в оптомеханічних системах», Phys. Rev. A 87, 025803 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803
[46] A. Kronwald, M. Ludwig і F. Marquardt, “Повна статистика фотонів світлового променя, що проходить через оптико-механічну систему”, Phys. Rev. A 87, 013847 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847
[47] Л. А. Кларк, А. Стоукс і А. Бейдж, «Метрологія квантового стрибка», Phys. Rev. A 99, 022102 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102
[48] S. Qvarfort, et al., “Gravimetry through non-linear optomechanics”, Nat. Комун. 9, 1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z
[49] С. Кварфорт та ін., «Оптимальна оцінка залежних від часу гравітаційних полів за допомогою квантових оптомеханічних систем», Phys. Rev. Res. 3, 013159 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159
[50] С. М. Кей, Основи статистичної обробки сигналів: теорія оцінювання (Прентіс Хол, 1993).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/151045
[51] MGA Paris, “Квантова оцінка для квантової технології”, Int. J. Quantum Інф. 07, 125 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839
[52] Дж. Д. Коен та ін., «Підрахунок фононів та інтерферометрія інтенсивності наномеханічного резонатора», Nature 520, 522 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14349
[53] І. Галінський та ін., «Термометрія підрахунку фононів ультракогерентного мембранного резонатора поблизу його рухомого основного стану», Optica 7, 718 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.390939
[54] N. Fiaschi та ін., «Оптомеханічна квантова телепортація», Nat. Фотон. 15, 817 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z
[55] К. Джейкобс, Теорія квантових вимірювань та її застосування (Видавництво Кембриджського університету, Кембридж, 2014).
https:///doi.org/10.1017/CBO9781139179027
[56] С. Гаммельмарк і К. Молмер, “Байєсівський висновок про параметри з безперервно контрольованих квантових систем”, Phys. Rev. A 87, 032115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115
[57] JZ Bernád, C. Sanavio та A. Xuereb, “Оптимальна оцінка сили оптомеханічного зв’язку”, Phys. Rev. A 97, 063821 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821
[58] D. Hälg та ін., «Мембранна скануюча силова мікроскопія», Phys. Rev. Appl. 15, L021001 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001
[59] HL Van Trees і KL Bell, Bayesian Bounds for Parameter Estimation and Nonlinear Filtering/Tracking (Wiley, 2007).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/1296178
[60] Ф. Альбареллі та ін., «Останні межі для квантової магнітометрії через безперервні вимірювання в часі», New J. Phys. 19, 123011 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa9840
[61] AH Kiilerich і K. Mølmer, “Оцінка параметрів атомної взаємодії шляхом підрахунку фотонів”, Phys. Rev. A 89, 052110 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110
[62] DE Chang, V. Vuletić і MD Lukin, “Квантова нелінійна оптика — фотон за фотоном”, Nat. Фотоніка 8, 685 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.192
[63] A. Reiserer і G. Rempe, “Квантові мережі на основі порожнини з одиночними атомами та оптичними фотонами”, Rev. Mod. фіз. 87, 1379 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379
[64] Т. Пейронель та ін., «Квантова нелінійна оптика з одиночними фотонами, що реалізуються сильно взаємодіючими атомами», Nature 488, 57 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature11361
[65] C. Möhl та ін., «Перехідні процеси кореляції фотонів у слабко блокованому ансамблі Рідберга», J. Phys. Б: На. мол. Opt. фіз. 53, 084005 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6455/ab728f
[66] AS Prasad та ін., «Кореляція фотонів за допомогою колективного нелінійного відгуку атомів, слабко пов’язаних з оптичною модою», Nat. Фотоніка 14, 719 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z
[67] C. Genes та ін., «Надійне заплутування мікромеханічного резонатора з вихідними оптичними полями», Phys. Rev. A 78, 032316 (2008b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316
[68] MK Schmidt та ін., «Кореляції фотонів із частотним розділенням в оптомеханіці резонатора», Quantum Science and Technology 6, 034005 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abe569
[69] K. Børkje, F. Massel, and JGE Harris, “Некласична статистика фотонів у двотональній безперервно керованій оптомеханіці”, Phys. Rev. A 104, 063507 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507
[70] Х.-П. Брейер і Ф. Петруччоне, Теорія відкритих квантових систем (Oxford University Press, 2002).
https:///doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199213900.001.0001
[71] J. Dalibard, Y. Castin і K. Molmer, “Підхід хвильової функції до дисипативних процесів у квантовій оптиці”, Phys. Преподобний Летт. 68, 580 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580
[72] K. Mølmer, Y. Castin та J. Dalibard, “Метод хвильової функції Монте-Карло в квантовій оптиці”, J. Opt. Соц. Am. B 10, 524 (1993).
https:///doi.org/10.1364/JOSAB.10.000524
[73] GC Hegerfeldt, “Як скинути атом після виявлення фотона: Застосування до процесів підрахунку фотонів”, Phys. Rev. A 47, 449 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449
[74] Х. Кармайкл, Підхід відкритих систем до квантової оптики (Springer Berlin Heidelberg, 1993).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-47620-7
[75] MB Plenio і PL Knight, “Підхід квантового стрибка до дисипативної динаміки в квантовій оптиці”, Rev. Mod. фіз. 70, 101 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101
[76] K. Mølmer і Y. Castin, «Хвильові функції Монте-Карло в квантовій оптиці», Квантова та напівкласична оптика: журнал Європейського оптичного товариства, частина B, 8, 49 (1996).
https://doi.org/10.1088/1355-5111/8/1/007
[77] R. Horodecki та ін., “Квантова заплутаність”, Rev. Mod. фіз. 81, 865 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[78] О. Гюне та Г. Тот, «Виявлення заплутаності», Phys. 474, 1 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004
[79] C. Gardiner і 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] Ю. Лі та ін., «Оцінка частотної та байєсівської квантової фази», Ентропія 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 і CM Caves, “Статистична відстань і геометрія квантових станів”, Phys. Преподобний Летт. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[85] H. Yuan і C.-HF Fung, “Оцінка квантового параметра із загальною динамікою”, npj Quantum Inf. 3, 1 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0014-6
[86] С. Чжоу та Л. Цзян, «Точна відповідність між квантовою інформацією Фішера та метрикою Буреса», arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473.
arXiv: 1910.08473
[87] S. Gammelmark і K. Mølmer, «Інформація Фішера та квантова межа чутливості крамер-рао безперервних вимірювань», Phys. Преподобний Летт. 112, 170401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401
[88] J. Amoros-Binefa and J. Kołodyński, “Noisy atomic magnetometry in real time”, New J. Phys. 23, 012030 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac3b71
[89] М. Людвіг, Б. Кубала та Ф. Марквардт, “Оптомеханічна нестабільність у квантовому режимі”, New J. Phys. 10, 095013 (2008).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/9/095013
Цитується
Не вдалося отримати Перехресне посилання, наведене за даними під час останньої спроби 2022-09-20 11:18:54: не вдалося отримати цитовані дані для 10.22331/q-2022-09-20-812 з Crossref. Це нормально, якщо DOI був зареєстрований нещодавно. Увімкнено SAO / NASA ADS даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2022-09-20 11:18:54).
Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.
