[論文レビュー] Quantum LiDAR with Frequency Modulated Continuous Wave

Ming‐Da Huang, Zhan-Feng Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Advanced Optical Sensing TechnologiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、マハーズンダー干渉計内でのエンタングルド周波数変調光子を用いた、量子強化型周波数変調連続波（FMCW）LiDARシステムを提案する。量子もつれを活用することで、量子パルス圧縮やエンタングルド光子生成を除く追加の非線形プロセスを必要とせず、従来のFMCW LiDARと比較して距離測定の精度が$√{n}$向上し、速度測定の分解能が$n$倍向上する。

ABSTRACT

The range and speed of a moving object can be ascertained using the sensing technique known as light detection and ranging (LiDAR). It has recently been suggested that quantum LiDAR, which uses entangled states of light, can enhance the capabilities of LiDAR. Entangled pulsed light is used in prior quantum LiDAR approaches to assess both range and velocity at the same time using the pulses' time of flight and Doppler shift. The entangled pulsed light generation and detection, which are crucial for pulsed quantum LiDAR, are often inefficient. Here, we study a quantum LiDAR that operates on a frequency-modulated continuous wave (FMCW), as opposed to pulses. We first outline the design of the quantum FMCW LiDAR using entangled frequency-modulated photons in a Mach-Zehnder interferometer, and we demonstrate how it can increase accuracy and resolution for range and velocity measurements by $\sqrt{n}$ and $n$, respectively, with $n$ entangled photons. We also demonstrate that quantum FMCW LiDAR may perform simultaneous measurements of the range and velocity without the need for quantum pulsed compression, which is necessary in pulsed quantum LiDAR. Since the generation of entangled photons is the only inefficient nonlinear optical process needed, the quantum FMCW LiDAR is better suited for practical implementations. Additionally, most measurements in the quantum FMCW LiDAR can be carried out electronically by down-converting optical signal to microwave region.

研究の動機と目的

• 既存のパルス型量子LiDARアーキテクチャの非効率性を克服する実用的な量子LiDARシステムの開発。
• 連続波周波数変調と量子もつれを用いて、同時に高分解能の距離および速度測定を実現すること。
• エンタングルド光子生成を除く非効率な非線形光学プロセスへの依存を低減し、チップ内統合に向けたシステムの実現可能性を高めること。
• ミリ波周波数のダウンコンバージョンによりビート信号を電子的に高精度に測定できることを示し、信号処理のロバスト性を向上させること。

提案手法

• システムは、参照信号とエコー信号を効率的に混合するため、エンタングルド周波数変調光子を用いたマハーズンダー干渉計を採用する。
• 三角波周波数変調を用いて、ターゲットの距離および速度を符号化したスペクトル成分を持つビート信号を生成する。
• 理論的精度限界を定量化するために、量子フィッシャー情報とクラーマー・ラオ下界を導出する。
• 距離および速度の分解能は、量子ビート信号の離散フーリエ変換（DFT）によって決定され、これは最尤推定器に対応する。
• 時間および経路の自由度におけるもつれを活用することで、感度および分解能を向上させる。
• 信号処理はミリ波帯域でのダウンコンバージョンにより実施され、ドップラー周波数シフトの高精度な電子的測定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子FMCW LiDARは、量子パルス圧縮を要せず、同時に高分解能の距離および速度推定を達成できるか？
• RQ2 周波数変調光子におけるもつれは、古典的対比においてFMCW LiDARの精度および分解能をどのように向上させるか？
• RQ3 エンタングルド光子数$n$が増加するに従い、システムの性能はどの程度向上するか？
• RQ4 薄膜リチウニオブート酸タン塩（LiNbO₃）などの統合フォトニクスプラットフォームを用いて、非効率な非線形損失を最小限に抑えて実用的に実装可能か？

主な発見

• 量子FMCW LiDARは、従来のFMCW LiDARと比較して、距離測定の精度が$√{n}$向上し、速度分解能が$n$倍向上する。
• $n=2$のエンタングルド光子を用いることで、単一光子状態と比較して距離および速度の分解能が2倍に向上する。
• 量子パルス圧縮を必要とせず、同時に距離および速度を測定可能であり、これはパルス型量子LiDARにおける主要な制限要因を克服する。
• 非効率な非線形プロセスはエンタングルド光子生成のみであり、パルス型量子LiDARと比較してシステムの複雑さと損失を顕著に低減する。
• ビート信号のミリ波周波数へのダウンコンバージョンにより、高精度な電子的測定が可能となり、システムの安定性および統合可能性が向上する。
• 本アーキテクチャは、薄膜リチウニオブート酸タン塩などのプラットフォームにおけるチップ内統合に非常に適しており、コンactでエネルギー効率の高い量子LiDARシステムの実現を可能にする。