[論文レビュー] Quantum Entangled Interferometers

Z. Y. Ou, Xiaoying Li|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 113被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、従来のビームスプリッターの代わりにパラメトリック増幅器を用いて量子もつれを生成するSU(1,1)量子もつれ干渉計を導入し、標準的量子限界を超える位相測定感度を実現する。相関する量子ノイズキャンセレーションを活用することで、信号対ノイズ比が向上し、特に光子数が少ない状態において古典的干渉計を凌駆する量子計測技術を実現する。

ABSTRACT

A new type of quantum entangled interferometer was recently realized that employs parametric amplifiers as the wave splitting and recombination elements. The quantum entanglement stems from the parametric amplifiers, which produce quantum correlated fields for probing the phase change signal in the interferometer. This type of quantum entangled interferometer exhibits some unique properties that are different from traditional beam splitter-based interferometers such as Mach-Zehnder interferometers. Because of these properties, it is superior to the traditional interferometers in many aspects, especially in the phase measurement sensitivity. We will review its unique properties and applications in quantum metrology and sensing, quantum information, and quantum state engineering.

研究の動機と目的

• 線形ビームスプリッターの代わりにパラメトリック増幅器を用いることで、新たなクラスの量子干渉計を開発すること。
• パラメトリック過程による量子もつれを活用することで、位相測定における標準的量子限界（SQL）を克服すること。
• 従来の干渉計と比較して、損失に対して優れた感度と耐性を示すことを目的とする。
• もつれ場を用いた量子計測、量子情報、量子状態工学への応用を検討すること。
• 初期のSU(1,1)干渉計設計における誤解を解き明かし、非線形素子の役割をより深く理解することで性能を最適化すること。

提案手法

• マハソン・ツェンダ干渉計における線形ビームスプリッターを非線形パラメトリック増幅器（PAs）に置き換え、波動混合におけるSU(1,1)対称性を実現する。
• パラメトリック増幅を用いて出力場間の連続変数もつれを生成し、量子相関を持つプローブビームとリファレンスビームを形成する。
• 相関のない真空ノイズの破壊的干渉を用いて測定ノイズをキャンセルし、同時に信号を増幅する。
• コherent状態とスケーリング状態の二重注入を実装し、信号対ノイズ比を向上させ、飽和効果を低減する。
• 多段階パラメトリック増幅器の非可換ハミルトニアンを用いてシステムをモデル化し、高利得領域を分析する。
• 内部および外部損失が感度に与える影響を分析し、特に内部損失に起因する相関のない真空ノイズが性能を劣化させることを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉計におけるビームスプリッターをパラメトリック増幅器に置き換えることで、どのように位相測定感度が標準的量子限界を超えるのか？
• RQ2 パラメトリック過程によって生成される量子もつれが、追加ノイズなしにノイズキャンセレーションと信号増幅に果たす役割は何か？
• RQ3 パラメトリック増幅器内の内部損失が、位相感度におけるヘイゼンベルク限界に到達する能力に与える影響は何か？
• RQ4 SU(1,1)干渉計は、物質波や異なる波型を用いる場合に、重力や回転などの物理量を測定するために応用可能か？
• RQ5 実用的で高光子数の応用において感度を最大化する最適な作動点および構成は何か？

主な発見

• SU(1,1)干渉計は、パラメトリック増幅器からの量子もつれを活用することで、標準的量子限界を超える位相測定感度を達成する。
• 相関する量子ノイズキャンセレーションのおかげで、検出効率の低さや外部損失に対して耐性を示すが、内部損失により相関のない真空ノイズが発生し、性能が劣化する。
• 高利得パラメトリック増幅はEPR型もつれを生成し、完全な量子状態トランスポートやヘイゼンベルク限界に近いセンシングへの応用が可能になる。
• 非可換ハミルトニアンを有する個々のパラメトリック増幅器を考慮する多段階SU(1,1)干渉計のモデル化には、理論的課題が残っている。
• コherent状態とスケーリング状態の二重注入は、実装における性能向上と飽和効果の低減に寄与する。
• このフレームワークは、原子ド・ブロイ波やフォノンなど非光学的波へも拡張可能であり、重力センシングに適した全物質波SU(1,1)干渉計の実現が可能になる。