[論文レビュー] Enhanced nonlinear interferometry via seeding

Jefferson Flórez, Emma Pearce+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非線形SU(1,1)干渉計の入力モードの1つをコherent状態または数状態でシーディングすることで、内部損失や検出器非効率性という現実的な条件下でも、干渉の可視度、コントラスト、位相感度、SN比が顕著に向上することを示している。わずか数十個のシーディング光子で十分であり、未シーディングの理想型干渉計と同等の量子制限位相感度が達成される。

ABSTRACT

We analyse a nonlinear interferometer, also known as an SU(1,1) interferometer, in the presence of internal losses and inefficient detectors. To overcome these limitations, we consider the effect of seeding one of the interferometer input modes with either a number state or a coherent state. We derive analytical expressions for the interference visibility, contrast, phase sensitivity, and signal-to-noise ratio, and show a significant enhancement in all these quantities as a function of the seeding photon number. For example, we predict that, even in the presence of substantial losses and highly inefficient detectors, we can achieve the same quantum-limited phase sensitivity of an unseeded nonlinear interferometer by seeding with a few tens of photons. Furthermore, we observe no difference between a number or a coherent seeding state when the interferometer operates in the low-gain regime, which enables seeding with an attenuated laser. Our results expand the nonlinear interferometry capabilities in the field of quantum imaging, metrology, and spectroscopy under realistic experimental conditions.

研究の動機と目的

• 実用的な量子メトロロジー実験における内部損失および検出器非効率性による非線形干渉計性能の劣化を解消するため。
• コherent状態または数状態で1つの入力モードをシーディングすることで、可視度、コントラスト、位相感度、SN比といった主要な指標が回復または向上するかを調査するため。
• 非対称なパラメトリック増幅と損失のある部品を含む現実的状況下での干渉計性能に関する解析的式を導出するため。
• コherent状態シーディングが数状態シーディングに効果的に代われる条件を特定し、弱光レーザーの使用を可能にするため。

提案手法

• 内部損失、検出器非効率性、非対称パラメトリック増幅を組み込んだコンactな行列形式を用いて非線形干渉計をモデル化する。
• 1つの入力モードにコherent状態|μ⟩をシード状態として用い、非縮退パラメトリック増幅器内での段階的非線形過程を経て状態を発展させる。
• 光子数演算子の期待値（2次モーメントを含む）の解析的式を導出し、位相感度と分散を計算する。
• ガウス形式を用いてコherent状態シーディングの結果を検証し、明示的な級数和を回避する。
• 相対位相差関数としての最大・最小出力信号間の強度差を分析し、干渉の可視度とコントラストを計算する。
• 出力光子数の平均値の位相微分を用いて位相感度を計算し、SN比と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失および非効率性がある非線形干渉計において、コherent状態または数状態でのシーディングが可視度およびコントラストに与える影響は何か？
• RQ2 シーディングが内部損失および検出器非効率性の影響をどれだけ相殺し、量子制限位相感度を達成できるか？
• RQ3 シーディング光子数の関数として、位相感度およびSN比がどの程度向上するか？
• RQ4 低増幅領域において、数状態シーディングとコherent状態シーディングの性能向上は同等か？
• RQ5 性能に悪影響を及げることなく、弱光レーザーをシード源として効果的に使用できるか？

主な発見

• 数十個の光子でシーディングするだけで、内部損失や検出器非効率性が顕著であっても、未シーディングの理想型干渉計と同等の量子制限位相感度が達成される。
• シーディング光子数が増加するにつれて干渉の可視度とコントラストが顕著に向上し、現実的条件下で理論限界に近づく。
• SN比はシーディング光子数に比例して単調に向上し、明確なスケーリング利点が示された。
• 低増幅領域では、数状態シーディングとコherent状態シーディングの性能は区別できず、弱光レーザーを実用的シード源として使用できることを裏付けた。
• 位相感度の向上は、損失および検出器非効率性の広い範囲にわたり安定しており、実世界の量子メトロロジー応用に実用的である。
• 解析的モデルは、出力光子数の分散がシーディングに伴い増加するが、信号の微分がノイズに対して相対的に強くなるため、位相感度が向上することを予測している。