[論文レビュー] Enhanced sensitivity via non-Hermitian topology

Midya Parto, Christian Leefmans+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ハタノ＝ネルソン模型に基づく光子的時間多重化共振器ネットワークを用いて、非エルミート的トポロジカルセンサ（NTOS）の実験的実証を行う。非エルミート性とトポロジーの相乗効果を活用することで、格子サイズの増大に伴い指数関数的に感度が向上する。実験的にN=23格子サイトまで確認され、従来のセンシング限界を上回る。

ABSTRACT

Sensors are indispensable tools of modern life that are ubiquitously used in diverse settings ranging from smartphones and autonomous vehicles to the healthcare industry and space technology. By interfacing multiple sensors that collectively interact with the signal to be measured, one can go beyond the signal-to-noise ratios (SNR) than those attainable by the individual constituting elements. Such distributed sensing techniques have also been implemented in the quantum regime, where a linear increase in the SNR has been achieved via using entangled states. Along similar lines, coupled non- Hermitian systems have provided yet additional degrees of freedom to obtain better sensors via higher-order exceptional points. Quite recently, a new class of non-Hermitian systems, known as non-Hermitian topological sensors (NTOS) has been theoretically proposed. Remarkably, the synergistic interplay between non-Hermiticity and topology is expected to bestow such sensors with an enhanced sensitivity that grows exponentially with the size of the sensor network. Here, we experimentally demonstrate NTOS using a network of photonic time-multiplexed resonators in the synthetic dimension represented by optical pulses. By judiciously programming the delay lines in such a network, we realize the archetypical Hatano-Nelson model for our non-Hermitian topological sensing scheme. Our experimentally measured sensitivities for different lattice sizes confirm the characteristic exponential enhancement of NTOS. We show that this peculiar response arises due to the combined synergy between non-Hermiticity and topology, something that is absent in Hermitian topological lattices. Our demonstration of NTOS paves the way for realizing sensors with unprecedented sensitivities.

研究の動機と目的

• 非エルミート的トポロジカルセンサ（NTOS）が格子サイズの増大に伴い指数関数的に感度が向上することを実験的に示すこと。
• 理論的予測である、NTOSにおける感度向上が、エルミート系に存在しない非エルミート性とトポロジーの協同的相互作用に起因することを検証すること。
• 可調節境界結合を備えた時間多重化光子的プラットフォームを用いて、非エルミート的トポロジカル格子を実現および特徴付けること。
• NTOSの感度スケーリングを従来の分散センシングおよびエルミート的トポロジカル系と比較し、優れた性能を示すこと。
• 量子センシング、LiDAR、重力波検出に応用可能な高感度センサの概念実証を提供すること。

提案手法

• 実験は、時間遅延で定義される合成次元における光パルスを用いたファイバー基盤の時間多重化共振器ネットワークを採用する。
• 電気光変調器を用いて、隣接するパルス間の非対称的かつ非可逆的結合を実装し、ハタノ＝ネルソンハミルトニアンを構築する。
• 境界結合（最初のパルスと最後のパルスの間）は、可調節電気光変調器を備えた長い遅延ラインにより制御され、摂動を模倣する。
• ハタノ＝ネルソン格子のゼロモードを注入し、10ラウンドトリップにわたり蓄積させた後、近接結合を活性化する。
• 50回の繰り返しでキャビティリングダウン波形を記録し、減衰率のずれを抽出する。内在的減衰を補正するために基準パルスを用いる。
• 感度は、境界結合摂動によるゼロモードの固有値（減衰率）のずれとして定量化され、格子サイズにスケーリングされる。

Figure 1: Non-Hermitian topological sensors (NTOS). Schematic diagram of the NTOS demonstrated here based on the Hatano-Nelson model which features nonreciprocal couplings between the adjacent elements of the array. Depending on the boundary conditions, this lattice exhibits different eigenvalue spe

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的システムにおいて、非エルミート的トポロジカルセンサ（NTOS）は格子サイズの増大に伴い指数関数的に感度が向上するか？
• RQ2 NTOSにおける感度向上は、非エルミート性とトポロジーの相乗効果に起因しており、他のメカニズムとは独立して生じるか？
• RQ3 NTOSの感度スケーリングは、従来の分散センシングおよびエルミート的トポロジカル系と比べてどのように異なるか？
• RQ4 ハタノ＝ネルソン模型における指数関数的感度スケーリングの理論的予測が、光子的プラットフォームで実験的に検証可能か？
• RQ5 高感度は、システムパrameterの微調整なしに堅牢に観測可能か？

主な発見

• 実験的に測定された非エルミート的トポロジカルセンサの感度は、格子サイト数の増加に伴い指数関数的に増大し、理論的予測を確認した。
• 格子サイズがN=23までに達する範囲で、従来の分散センシング（√Nスケーリング）と比較して、感度が2桁以上向上した。
• 感度向上は、システムパrameterの微調整を要せず、他の非エルミート系センシング手法とは明確に区別される。
• 非エルミート性とトポロジーの相乗効果が支配的であることが、スレーシュ・モデルのようなエルミート的トポロジカル系では同様のスケーリングが観測されないことで裏付けられた。
• 境界結合摂動によるゼロモードの固有値ずれは、格子サイズに指数関数的に比例し、測定された感度向上要因は理論的期待値と整合的であった。
• 基準パルスにより、観測された減衰率のずれが内在的キャビティ損失によるものではなく、非エルミート的トポロジカル効果に起因することを確認した。

Figure 2: Schematic of the network of time-multiplexed resonators used to demonstrate NTOS. Synthetic resonators are defined by femtosecond pulses emitted by a mode-locked laser with a repetition rate of $T_{R}$ passing through an electro-optic modulator (EOM) before injection into the optical fiber