[論文レビュー] Graph states and carrier-envelope phase squeezing

Olivier Pfister|ArXiv.org|Jan 16, 2007

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、光周波数コンブにおけるマルチモード圧縮に基づく連続変数グラフ状態の新規クラスを導入し、このような状態がエンタングルメントを記述できること、特にモードロックレーザーにおけるキャリア-エンvelope位相（CEP）圧縮を記述できることを示している。著者らは、量子混合検波多重化を用いて、CEP圧縮を検出するスケーラブルな手法を提案する。この手法は、多粒子エンタングルメントの証拠として機能し、周波数コンブにおける高次元エンタングルメントの実験的検証を可能にする。

ABSTRACT

We outline a new class of continuous-variable graph states that can be useful to describe entangle- ment, and also multimode squeezing, in an optical frequency comb. We show that a particular case of such states coincides with the squeezing of the carrier-envelope phase, or of the total intensity, of a mode-locked laser. We then discuss the experimental issues related to measuring the quantum noise of the carrier-envelope phase of a frequency comb and show that this can be carried out by use of quantum heterodyne multiplexing, a technique that may be useful to measure multipartite entanglement as well.

研究の動機と目的

• 光周波数コンブにおけるマルチモード圧縮とエンタングルメントを記述する連続変数グラフ状態の理論的枠組みを構築すること。
• グラフ状態とモードロックレーザーにおけるキャリア-エンvelope位相（CEP）の圧縮との間の関係を確立すること。
• 量子混合検波多重化を用いたCEP圧縮を測定する実験的に実現可能な手法を提案すること。
• 周波数ドメインを活用した多重量子信号読み出しを用いて、周波数コンブにおける多粒子エンタングルメントの検出を可能にすること。

提案手法

• 本稿では、すべてのモードペア間の相互作用を含む非線形光的一致（NOC）ハミルトニアンを用いてマルチモード圧縮をモデル化し、完全に接続されたグラフ状態として表現する。
• 場の四分位数のハイゼンベルク運動方程式を導出し、$N$ モードに対して位相和演算子 $\mathbf{P} = \sum_j P_j$ が要因 $N-1$ で圧縮されることを示す。
• 量子混合検波多重化を用い、2つの非縮退モードの平均周波数における1つの局所発振器を用いて、バランスド混合検波により位相和圧縮を検出する。
• 光電流を複数の側帯周波数でデモジュレートすることにより、複数モードへの応用が可能となり、コンブ状の局所発振器を用いて総位相和 $\mathbf{P}$ を再構成する。
• 検出装置は、真空揺らぎとDC成分をフィルタリングし、特定の拍動周波数での干渉により、位相和演算子の量子ノイズを分離する。
• 周波数コンブの局所発振器を用いることで、帯域制限下でも完全な位相和再構成を維持できることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光周波数コンブにおけるマルチモード圧縮相互作用から連続変数グラフ状態を構築できるか？
• RQ2 周波数コンブのキャリア-エンvelope位相（CEP）は、グラフ状態形式における多粒子エンタングルメントおよび圧縮とどのように関係するか？
• RQ3 量子混合検波多重化を用いて、周波数コンブの総位相圧縮を高精度で検出できるか？
• RQ4 モードロックレーザーシステムでCEP圧縮を観測および測定するために必要な実験的条件は何か？
• RQ5 この検出手法は、マルチモード連続変数系における多粒子エンタングルメントの測定に一般化可能か？

主な発見

• NOCハミルトニアン下で位相和演算子 $\mathbf{P} = \sum_{j=1}^N P_j$ が $N-1$ の要因で圧縮され、GHZに類似た状態における強いエンタングルメントを示している。
• 総位相和 $\mathbf{P}$ は $\mathbf{P}(t) = \mathbf{P}(0) e^{-(N-1)\kappa t}$ として圧縮され、モード数の増加に伴い指数関数的に圧縮が強化されることを示している。
• 量子混合検波多重化により、2つの非縮退モードの平均周波数における1つの局所発振器を用いて、総位相和圧縮を検出可能である。
• 周波数コンブの局所発振器を用いることで、帯域制限下でも $\sum_{j=-n}^n P_j$ の完全な再構成が可能となり、$N$ モードへの拡張が可能である。
• バランスド検波と周波数ドメイン信号分離のおかげで、真空ノイズおよびDC成分に対してロバストであることが示された。
• この検出手法はスケーラブルであり、多粒子エンタングルメントの測定に利用可能であり、総位相和圧縮がGHZ型エンタングルメントの証拠として機能することが分かった。