利用连续光子计数的光机械传感器中的非线性效应

刘易斯·克拉克1, 巴托什·马科维茨1,2和扬·科沃迪斯基1

1华沙大学量子光学技术中心新技术中心,Banacha 2c,02-097 Warszawa,波兰
2华沙大学物理系,Pasteura 5,02-093,波兰华沙

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抽象

光机械系统正迅速成为观察量子行为的最有前途的平台之一,尤其是在宏观层面。 此外,由于采用了最先进的制造方法,它们现在可以进入其组成的机械自由度和光学自由度之间的非线性相互作用状态。 在这项工作中,我们展示了这一新机会如何用于构建新一代光机械传感器。 我们考虑了典型的光机械装置,其检测方案基于从腔泄漏的光子的时间分辨计数。 通过执行模拟和诉诸贝叶斯推理,我们证明了检测到的光子的非经典相关性可以实时提高传感器的性能。 我们相信我们的工作可能会激发此类设备设计的新方向,而我们的方法也适用于利用非线性光物质相互作用和光子检测的其他平台。

光力学涵盖了涉及光耦合到机械运动的各种物理系统。 此外,它们通常是探索自然界中量子效应的一些最容易获得的候选者。 大多数情况下,光机械系统被认为是线性状态,其中系统的光学驱动很强或光机械耦合很弱。 然而,这样的系统通常表现出较少的量子特性。 进入非线性状态,系统的量子行为得到增强,这也可能导致产生高度非经典的光。 虽然仍然在实验上难以实现,但在非线性机制内工作的好处是显而易见的。

同时,涉及连续监测量子传感任务系统的技术已被证明是非常有效的。 在这里,不是在特定状态下准备系统并执行最佳单次测量,而是允许系统随时间发展并监控其排放统计数据。 通过这样做,可以很好地估计未知的系统参数,即使是从单个量子轨迹。

在这里,我们通过使用非线性光机械系统的光子统计来估计未知参数,例如光机械耦合强度,将这两个观察结果结合起来。 我们看到非线性光机械系统的非经典统计如何仅从单个量子轨迹产生出色的结果,即使光子发射数量相对较少。 利用贝叶斯推理技术,可以获得后验分布并与最佳单次测量的传感性能进行比较。 我们证明,经过足够的时间后,我们的连续监控系统能够胜过单次测量的系统,并为设计用于光机械设备的潜在新型传感方案提供有用的见解。

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►参考

[1] CK Law,“移动镜面与辐射压力之间的相互作用:哈密顿公式”,物理学。 修订版 A 51, 2537 (1995)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.2537

[2] M. Aspelmeyer、TJ Kippenberg 和 F. Marquardt,“Cavity optomechanics”,Rev. Mod。 物理。 86, 1391 (2014a)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1391

[3] M. Aspelmeyer、TJ Kippenberg 和 F. Marquardt,Cavity Optomechanics:与光相互作用的纳米和微机械谐振器(Springer,2014 年)。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55312-7

[4] WP Bowen 和 GJ Milburn,Quantum Optomechanics(CRC 出版社,2015 年)。
https:///doi.org/10.1201/b19379

[5] S. Barzanjeh 等人,“量子技术的光力学”,Nat。 物理。 18 日,15 日(2022 年)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01402-0

[6] C. Whittle 等人,“接近 10 公斤物体的运动基态”,Science 372, 1333 (2021)。
https:///​doi.org/​10.1126/​science.abh2634

[7] S. Mancini、VI Man'ko 和 P. Tombesi,“量子宏观相干的思考控制”,物理学。 修订版 A 55, 3042 (1997)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.3042

[8] S. Bose、K. Jacobs 和 PL Knight,“用移动镜子准备空腔中的非经典状态”,Phys。 修订版 A 56, 4175 (1997)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.4175

[9] AA Clerk 和 F. Marquardt,“腔光力学的基本理论”,(2014 年)。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-55312-7_2

[10] C. Gonzalez-Ballestero 等人,“Levitodynamics:真空中微观物体的悬浮和控制”,Science 374,eabg3027 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1126/ science.abg3027

[11] F. Tebbenjohanns 等人,“低温自由空间中光学悬浮纳米粒子的量子控制”,《自然》595, 378 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03617-w

[12] N. Kiesel 等人,“光学悬浮亚微米粒子的腔冷却”,PNAS 110, 14180 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1073 / pnas.1309167110

[13] F. Brennecke 等人,“具有玻色-爱因斯坦凝聚体的腔光力学”,Science 322, 235 (2008)。
https:/ / doi.org/ 10.1126 / science.1163218

[14] KW Murch 等人,“用超冷原子气体观察量子测量反作用”,Nature Phys 4, 561 (2008)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / nphys965

[15] DWC Brooks 等人,“由量子噪声驱动的腔光力学产生的非经典光”,Nature 488, 476 (2012)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature11325

[16] M. Eichenfield 等人,“光机械晶体”,Nature 462, 78 (2009)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature08524

[17] J. Chan 等人,“纳米机械振荡器的激光冷却到其量子基态”,《自然》478, 89 (2011)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature10461

[18] R. Riedinger 等人,“两个微机械振荡器之间的远程量子纠缠”,Nature 556, 473 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / s41586-018-0036-z

[19] DK Armani 等人,“芯片上的超高 Q 环形微腔”,Nature 421, 925 (2003)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature01371

[20] DJ Wilson 等人,“机械振荡器在其热退相干率下的基于测量的控制”,《自然》524, 325 (2015)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature14672

[21] V. Sudhir 等人,“机械振荡器基于测量的反馈控制中量子相关性的出现和消失”,Phys。 修订版 X 7, 011001 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.011001

[22] M. Rossi 等人,“机械运动的基于测量的量子控制”,Nature 563, 53 (2018)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-018-0643-8

[23] K. Iwasawa 等人,“量子限制镜像运动估计”,Phys。 牧师莱特。 111, 163602 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.163602

[24] W. Wieczorek 等人,“腔光机系统的最佳状态估计”,物理学。 牧师莱特。 114, 223601 (2015)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.223601

[25] M. Rossi 等人,“观察和验证机械谐振器的量子轨迹”,物理学。 牧师莱特。 123、163601(2019 年)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.163601

[26] A. Setter 等人,“实时卡尔曼滤波器:光学悬浮纳米粒子的冷却”,物理学。 修订版 A 97, 033822 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.033822

[27] D. Mason 等人,“低于标准量子极限的连续力和位移测量”,Nat。 物理。 15, 745 (2019)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0533-5

[28] L. Magrini 等人,“室温下机械运动的实时最优量子控制”,Nature 595, 373 (2021)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03602-3

[29] D. Vitali 等人,“可移动反射镜和腔场之间的光机械纠缠”,Phys。 牧师莱特。 98, 030405 (2007)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.030405

[30] C. Genes 等人,“微机械振荡器的基态冷却:比较冷阻尼和腔辅助冷却方案”,Phys。 修订版 A 77, 033804 (2008a)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.033804

[31] I. Wilson-Rae 等人,“机械谐振器的腔辅助反作用冷却”,New J. Phys。 10, 095007 (2008)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​9/​095007

[32] Y.-C。 Liu 等人,“强耦合光机械中机械谐振器的动态耗散冷却”,物理学。 牧师莱特。 110, 153606 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.153606

[33] A. Ferraro、S. Olivares 和 MGA Paris,连续可变量子信息中的高斯态(Bibliopolis,那不勒斯,2005 年)。
arXiv:quant-ph / 0503237

[34] SG Hofer 和 K. Hammerer,原子、分子和光学物理进展,卷。 66,由 E. Arimondo、CC Lin 和 SF Yelin 编辑(学术出版社,2017 年),第 263-374 页。
https:///doi.org/10.1016/bs.aamop.2017.03.003

[35] AD O'Connell 等人,“机械谐振器的量子基态和单声子控制”,Nature 464, 697 (2010)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature08967

[36] K. Stannigel 等人,“光子和声子的光机械量子信息处理”,物理学。 牧师莱特。 109, 013603 (2012)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.013603

[37] T. Ramos 等人,“通过个体内在两级缺陷实现的非线性量子光力学”,物理学。 牧师莱特。 110, 193602 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.193602

[38] AP Reed 等人,“将传播的量子信息忠实转换为机械运动”,Nature Phys 13, 1163 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / nphys4251

[39] JD Teufel 等人,“强耦合状态下的电路腔机电”,Nature 471, 204 (2011)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature09898

[40] S. Qvarfort 等人,“具有光学损耗的非线性光机械系统的主方程处理”,Phys。 修订版 A 104, 013501 (2021a)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.013501

[41] X. Wang 等人,“谐振器的超高效冷却:用量子控制击败边带冷却”,物理学。 牧师莱特。 107, 177204 (2011)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.177204

[42] V. Bergholm 等人,“用于产生非经典机械运动状态的混合光机械系统的优化控制”,量子科学。 技术。 4, 034001 (2019)。
https:/ / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab1682

[43] A. Nunnenkamp、K. Børkje 和 SM Girvin,“单光子光力学”,物理学。 牧师莱特。 107, 063602 (2011)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063602

[44] P. Rabl,“光机械系统中的光子阻挡效应”,Phys。 牧师莱特。 107, 063601 (2011)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.063601

[45] X.-W。 徐,Y.-J。 李和 Y.-x。 刘,“光机械系统中的光子诱导隧道效应”,物理学。 修订版 A 87, 025803 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.025803

[46] A. Kronwald、M. Ludwig 和 F. Marquardt,“通过光机械系统传输的光束的全光子统计”,Phys。 修订版 A 87, 013847 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.013847

[47] LA Clark、A. Stokes 和 A. Beige,“量子跳跃计量学”,Phys。 修订版 A 99, 022102 (2019)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022102

[48] S. Qvarfort 等人,“通过非线性光力学进行重力测量”,Nat。 交流。 9, 1 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-06037-z

[49] S. Qvarfort 等人,“使用量子光机械系统对时间相关引力场进行优化估计”,Phys。 牧师水库。 3, 013159 (2021b)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013159

[50] SM Kay,统计信号处理基础:估计理论(Prentice Hall,1993 年)。
https:/ / dl.acm.org/doi/ 10.5555 / 151045

[51] MGA Paris,“量子技术的量子估计”,诠释。 J.量子信息。 07, 125 (2009)。
https:/ / doi.org/ 10.1142 / S0219749909004839

[52] JD Cohen 等人,“纳米机械谐振器的声子计数和强度干涉测量”,Nature 520, 522 (2015)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature14349

[53] I. Galinskiy 等人,“接近其运动基态的超​​相干膜谐振器的声子计数测温法”,Optica 7, 718 (2020)。
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.390939

[54] N. Fiaschi 等人,“光机械量子隐形传态”,Nat。 光子。 15, 817 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / s41566-021-00866-z

[55] K. Jacobs,《量子测量理论及其应用》(剑桥大学出版社,剑桥,2014年)。
https:/ / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139179027

[56] S. Gammelmark 和 K. Molmer,“来自连续监测的量子系统的贝叶斯参数推断”,Phys。 修订版 A 87, 032115 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.032115

[57] JZ Bernád、C. Sanavio 和 A. Xuereb,“光机械耦合强度的最佳估计”,Phys。 修订版 A 97, 063821 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063821

[58] D. Hälg 等人,“基于膜的扫描力显微镜”,Phys。 牧师申请。 15,L021001(2021 年)。
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001

[59] HL Van Trees 和 KL Bell,参数估计和非线性过滤/跟踪的贝叶斯边界 (Wiley, 2007)。
https:/ / dl.acm.org/doi/ 10.5555 / 1296178

[60] F. Albarelli 等人,“通过时间连续测量实现量子磁力测量的终极极限”,New J. Phys。 19, 123011 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aa9840

[61] AH Kiilerich 和 K. Mølmer,“通过光子计数估算原子相互作用参数”,Phys。 修订版 A 89, 052110 (2014)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.052110

[62] DE Chang、V. Vuletić 和 MD Lukin,“量子非线性光学——逐个光子”,Nat。 光子学 8, 685 (2014)。
https:///doi.org/10.1038/nphoton.2014.192

[63] A. Reiserer 和 G. Rempe,“具有单原子和光光子的基于腔的量子网络”,Rev. Mod。 物理。 87, 1379 (2015)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.1379

[64] T. Peyronel 等人,“由强相互作用原子实现的单光子量子非线性光学”,Nature 488, 57 (2012)。
https:/ / doi.org/10.1038/nature11361

[65] C. Möhl 等人,“弱阻塞里德堡系综中的光子相关瞬变”,J. Phys。 B:在。 摩尔。 选择。 物理。 53, 084005 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1088/ 1361-6455/ ab728f

[66] AS Prasad 等人,“使用弱耦合到光学模式的原子的集体非线性响应来关联光子”,Nat。 光子学 14, 719 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / s41566-020-0692-z

[67] C. Genes 等人,“具有输出光场的微机械谐振器的鲁棒纠缠”,Phys。 修订版 A 78, 032316 (2008b)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032316

[68] MK Schmidt 等人,“腔光力学中的频率分辨光子相关性”,量子科学与技术 6, 034005 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / abe569

[69] K. Børkje、F. Massel 和 JGE Harris,“双音连续驱动光力学中的非经典光子统计”,Phys。 修订版 A 104, 063507 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.063507

[70] 生命值。 Breuer 和 F. Petruccione,开放量子系统理论(牛津大学出版社,2002 年)。
https:///doi.org/10.1093/acprof:oso / 9780199213900.001.0001

[71] J. Dalibard、Y. Castin 和 K. Molmer,“量子光学中耗散过程的波函数方法”,物理学。 牧师莱特。 68, 580 (1992)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.580

[72] K. Mølmer、Y. Castin 和 J. Dalibard,“量子光学中的蒙特卡罗波函数法”,J. Opt。 社会党。 是。 B 10, 524 (1993)。
https:/ / doi.org/ 10.1364 / JOSAB.10.000524

[73] GC Hegerfeldt,“如何在光子检测后重置原子:光子计数过程的应用”,物理学。 修订版 A 47, 449 (1993)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.449

[74] H. Carmichael,量子光学的开放系统方法(Springer Berlin Heidelberg,1993)。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-47620-7

[75] MB Plenio 和 PL Knight,“量子光学中耗散动力学的量子跳跃方法”,Mod 牧师。 物理。 70, 101 (1998)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.70.101

[76] K. Mølmer 和 Y. Castin,“量子光学中的蒙特卡洛波函数”,量子和半经典光学:欧洲光学学会杂志 B 部分 8, 49 (1996)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1355-5111/​8/​1/​007

[77] R. Horodecki 等人,“量子纠缠”,Rev. Mod。 物理。 81, 865 (2009)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[78] O. Gühne 和 G. Tóth,“纠缠检测”,Phys。 众议员 474, 1 (2009)。
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.004

[79] C. Gardiner 和 P. Zoller,Quantum Noise:A Handbook of Markovian and Non-Markovian Quantum Stochastic Methods with Applications to Quantum Optics(Springer Science & Business Media,2004 年)。
https:/ / link.springer.com/ book/ 9783540223016

[80] KP Murphy,机器学习:概率视角(麻省理工学院出版社,2012 年)。
https:/ / dl.acm.org/doi/ book / 10.5555 / 2380985

[81] Y. Li 等人,“Frequentist 和 Bayesian Quantum Phase Estimation”,Entropy 20, 628 (2018)。
https:///doi.org/10.3390/e20090628

[82] HL van Trees,检测、估计和调制理论,卷。 我(威利,1968 年)。
https:/ / doi.org/10.1002/ 0471221082

[83] AW van der Vaart,渐近统计(剑桥大学出版社,1998 年)。
https:/ / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511802256

[84] SL Braunstein 和 CM Caves,“统计距离和量子态的几何”,物理学。 牧师莱特。 72, 3439 (1994)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439

[85] H. Yuan 和 C.-HF Fung,“具有一般动力学的量子参数估计”,npj Quantum Inf。 3, 1 (2017)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0014-6

[86] S. Zhou 和 L. Jiang,“量子 Fisher 信息与 Bures 度量之间的精确对应关系”,arXiv:1910.08473 [quant-ph] (2019), arXiv: 1910.08473。
的arXiv:1910.08473

[87] S. Gammelmark 和 K. Mølmer,“Fisher 信息和连续测量的量子cramér-rao 灵敏度极限”,物理学。 牧师莱特。 112, 170401 (2014)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.170401

[88] J. Amoros-Binefa 和 J. Kołodyński,“实时嘈杂原子磁力测量”,New J. Phys。 23, 012030 (2021)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac3b71

[89] M. Ludwig、B. Kubala 和 F. Marquardt,“量子体系中的光机械不稳定性”,New J. Phys。 10, 095013 (2008)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​9/​095013

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