[論文レビュー] Quantum enhanced joint measurement of multiple non-commuting observables with SU(1,1) interferometer

Yuhong Liu, Jiamin Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用数 46

ひとこと要約

本論文は、SU(1,1)干渉計を用いて、位相と振幅などの非可換な物理量を同時に測定する量子強化型連合測定方式を提案する。光パラメトリック増幅器からの量子もつれと暗線干渉の破壊的干渉を活用することで、すべての測定物理量に対して標準量子限界を20%上回る信号対雑音比（SNR）を達成し、任意の非可換位相振幅の連合測定に一般化可能な手法を示した。

ABSTRACT

Heisenberg uncertainty relation in quantum mechanics sets the limit on the measurement precision of non-commuting observables, which prevents us from measuring them accurately at the same time. In some applications, however, the information are embedded in two or more non-commuting observables. On the other hand, quantum entanglement allows us to infer through Einstein-Podolsky-Rosen correlations two conjugate observables with precision better than what is allowed by Heisenberg uncertainty relation. With the help of the newly developed SU(1,1) interferometer, we implement a scheme to measure jointly information encoded in multiple non-commuting observables of an optical field with a signal-to-noise ratio improvement of about 20 % over the standard quantum limit on all measured quantities simultaneously. This scheme can be generalized to the joint measurement of information in arbitrary number of non-commuting observables.

研究の動機と目的

• 非可換物理量の同時測定におけるハイゼンベルクの不確定性関係の制限を克服すること。
• 位相や振幅などの複数の非可換物理量を、標準量子限界を超えて連合測定すること。
• EPR相関を介した量子もつれを活用し、古典的限界を超える精度で複数の共役物理量を推定すること。
• 量子計測における多物理量連合測定に向けたSU(1,1)干渉計の実現可能性とスケーラビリティを示すこと。
• ノイズ性能にトレードオフが生じない形で、すべての測定非可換物理量において同時に感度を向上させること。

提案手法

• 2つの光パラメトリック増幅器（OPA）を用いたSU(1,1)干渉計を採用し、ビームスプリッターの代わりに非線形素子を用いることで、量子ノイズのキャンセレーションを実現する。
• 最初のOPA（OPA1）がもつれ信号ビームとイデアルビームを生成し、EPR型相関を形成することで、非可換物理量のショットノイズ未満の推定を可能にする。
• 2番目のOPA（OPA2）は位相に依存する増幅器として機能し、信号ビームとイデアルビーム出力を同時に増幅することで、両方の位相振幅に対するSNRを向上させる。
• ロックされた局所発振器を用いて、信号およびイデアル出力で混合検出を実施し、高い位相安定性で特定の位相振幅（例：X̂(φ1), X̂(φ2), X̂(φ3)）を測定する。
• ピエゾ素子に正弦波変調とデジタルフィードバックループ（PLL）を適用することで、局所発振器の相対位相およびOPA2のポンプ位相を安定化させる。
• システムを暗線に設定することで、すべての位相角で破壊的量子干渉を最大化し、ノイズを最小化し、同時にすべての物理量のSNR向上を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子もつれを活用することで、複数の非可換物理量の測定感度を、標準量子限界を超えて同時に向上させることは可能か？
• RQ2 SU(1,1)干渉計の構造的特徴は、複数の位相におけるノイズキャンセレーションと信号増幅をどのように同時に実現するか？
• RQ3 本手法を用いた位相および振幅変調の連合測定において、古典的手法および従来の量子的手法と比較して、実現可能なSNR向上はどの程度か？
• RQ4 本手法は、任意の数の非可換位相振幅の連合測定に一般化可能か？
• RQ5 現実の損失および検出非効率の条件下で、SU(1,1)干渉計は古典的ビームスプリッターおよび増幅器ベースの手法と比較して、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• SU(1,1)干渉計は、標準量子限界に対して、位相および振幅変調の両方で20%のSNR向上を達成し、すべての測定物理量に対して同時に感度向上を実現した。
• SU(1,1)方式のSNRは、G₁とg₁がそれぞれ最初のOPAの増幅率およびノイズパラメータである場合、(G₁ + g₁)²倍の古典的SNRに比例し、顕著な感度向上を実現する。
• 公平な比較において、本手法は古典的ビームスプリッターおよび増幅器ベースの手法を上回り、未使用ポートにおける真空ノイズによる3 dBのSNR損失を回避している。
• 局所発振器およびOPA2ポンプの位相ロックにデジタルフィードバックループを適用することで、異なる位相角における複数の位相振幅を安定的かつ高精度に測定可能となった。
• 信号出力を分岐させ、追加の混合検出器を用いることで、任意の数の非可換物理量の連合測定に本手法を一般化可能である。
• 実験結果は理論的予測を裏付け、SU(1,1)方式は振幅（X̂）および位相（Ŷ）変調の両方において、古典的手法を上回るSNRを達成しており、周波数ドメインで0.8 MHz（AM）および1.2 MHz（PM）に明確なピークが観測された。