[論文レビュー] Beating the Shot-Noise Limit with Sources of Partially-Distinguishable Photons

Patrick M. Birchall, Javier Sabines-Chesterking+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、完全に区別不能な光源を必要とせず、部分的に区別可能な光子を用いても、ショットノイズ限界を超える量子的位相感度が達成可能であることを示している。時間遅延を用いて光子の区別可能性を実験的に制御することで、非ゼロの不変性が保たれる限り、ハイゼンベルク限界に従うスケーリングが継続することを示しており、実用的量子メトロロジーの技術的障壁を顕著に低減する。

ABSTRACT

Quantum metrology promises high-precision measurements beyond the capability of any classical techniques, and has the potential to be integral to investigative techniques. However, all sensors must tolerate imperfections if they are to be practical. Here we show that photons with perfectly overlapped modes, which are therefore fully indistinguishable, are not required for quantum-enhanced measurement, and that partially-distinguishable photons do not have to be engineered to mitigate the adverse effects of distinguishability. We quantify the effect of distinguishability on quantum metrology experiments, and report results of an experiment to verify that two- and four-photon states containing partially-distinguishable photons can achieve quantum-enhanced sensitivity with low-visibility quantum interference. This demonstrates that sources producing photons with mixed spectral states can be readily utilized for quantum metrology.

研究の動機と目的

• 部分的に区別可能な光子を用いても量子メトロロジーの利点が達成可能かどうかを調査すること。
• 光子の区別可能性が干渉測定における量子干渉および位相感度に与える影響を定量化すること。
• 低コherence干渉下でも非古典的位相感度が継続することを実験的に示すこと。
• 区別可能性は損失や位相拡散とは別個の誤差源であり、ハイゼンベルクスケーリングを破壊するとは限らないことの証明。
• 量子優位性を達成するためには、極めて不変性の高い光子源を必要としないことを示し、量子メトロロジーの技術的障壁を低減すること。

提案手法

• マハランスキー干渉計における可変時間遅延を用いて、光子対および4光子状態の区別可能性を制御した。
• 位相θを[0, 2π)の範囲でスキャンし、一致率を測定することで、干渉縞を測定した。区別可能性の異なるレベルで実験を行った。
• フィッティングされた干渉縞からCramér-Rao下限を用いてフィッシャー情報量Fを抽出し、F′ = F/(2n)を用いて1光子あたりの感度に正規化した。
• 背景ノイズの影響は、特に4光子状態の場合に分析に組み込み、モデル化した。
• 理論的予測と実験データを比較し、干渉の度合いを特徴付ける不変性パラメータI′(x)を用いた。
• Nagataら（2007年）の手法を用いて、極端な区別可能性（I′=0）および完全な不変性（I′=1）における4光子状態の期待フィッシャー情報量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的に区別可能な光子を用いても、位相感度がハイゼンベルク限界に従うスケーリングを達成できるか、特に不変性が低い場合に有効か。
• RQ2 多光子干渉系において、光子の区別可能性が増加するに従い、位相感度がどのように劣化するか。
• RQ3 区別可能性の影響が、光子損失や位相拡散といった他の不完全要因とは分離可能か。
• RQ4 混合スペクトル状態を持つ実用的光子源を、完全な不変性を要さずに量子メトロロジーに効果的に応用可能か。
• RQ5 背景ノイズや低コherence干渉が、多光子状態における超古典的フィッシャー情報量の抽出にどの程度影響を及ぼすか。

主な発見

• 2光子実験では、フィッシャー情報量の低下が区別可能性の増加にほぼ線形的に従い、理論的予測と整合的であった。
• 4光子状態では、I′=1（完全不変性）での予想されるハイゼンベルク限界のフィッシャー情報量から、I′=0（完全区別可能）での古典的限界へ低下し、継続的な量子優位性が確認された。
• x=0（最大不変性）における4光子状態の実験的推定フィッシャー情報量はΛ₄ = 0.480 ± 0.005であり、予想されるスケーリングを支持する結果であった。
• 背景ノイズが存在しても、θ=0付近で干渉縞のコントラストが高く維持され、超古典的感度が達成可能であった。
• 非ゼロの不変性が存在する限り、他の理想的な条件が欠けていても量子優位性が得られることを示した。
• 本研究は、区別可能性が損失や位相拡散とは別個の管理可能な誤差源であり、ハイゼンベルクスケーリングを妨げるものではないことを確認した。