[論文レビュー] Quantum noise in phase-sensitive heterodyne detection with a bichromatic local oscillator

Heng Fan, Dechao He+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2014

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、二色の局所発振器を用いた位相感受性混合検出器における量子ノイズを調査し、画像サイドバンド真空からの予想される3 dBの量子ノイズペナルティが実験的に存在しないことを示した。結果は、位相感受性検出が量子レベルでノイズフリーの動作を達成できることを示し、従来の予想をくつがえし、画像真空ノイズの抑制のメカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

It is believed that the quantum behaviors of homodyne detectors and traditional heterodyne detectors can be fully understood in the context of the quantum theory of optical detection. According to the theory, a 3 dB extra quantum noise has been predicted in a traditional heterodyne detector, as a phase-insensitive device, due to the existence of the image sideband vacuum. However, regarding the noise performance of a phase-sensitive heterodyne detector, a fundamental dilemma inevitably arises: On one hand, the detector should suffer the 3 dB noise penalty caused by the image sideband vacuum, on the other hand, it, as a phase-sensitive device, should be noise free at the quantum level. We report on an experiment on the quantum noise performance of a phase-sensitive heterodyne detector with a bichromatic local oscillator. The results show that the studied detector is noise free, i.e., the quantum noise of the image sideband vacuum is absent in the observation. Revealing the mechanism for the absence of the image vacuum noise will be important for a full understanding of the origin of the quantum noise in optical detection.

研究の動機と目的

• 位相感受性混合検出器の量子ノイズ性能における根本的ジレンマを解明すること。
• 従来の混合検出と同様に、画像サイドバンド真空が3 dBの量子ノイズペナルティをもたらすかどうかを調査すること。
• 二色の局所発振器を用いた位相感受性混合検出器のノイズ特性を実験的に検証すること。
• 位相感受性検出において画像真空ノイズが存在しない理由を特定すること。

提案手法

• 二つの周波数成分を有する二色の局所発振器を用いて、位相感受性混合検出を実現する。
• 画像サイドバンド真空からの寄与を分離するために、制御された条件下で検出器の量子ノイズ性能を測定する。
• 量子光学検出理論に基づく理論的モデルを用いて、予想されるノイズレベルを予測する。
• 予測されたノイズレベル（3 dBペナルティを含む）と実験結果を比較し、乖離を特定する。
• 実験装置により、画像サイドバンドが全ノイズに与える寄与を特定的にプローブ可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相感受性混合検出器は、位相不感性混合検出と同様に、画像サイドバンド真空に起因する3 dBの量子ノイズペナルティを示すのか？
• RQ2 位相感受性検出方式における画像サイドバンド真空の実際の量子ノイズ寄与は何か？
• RQ3 画像サイドバンドが存在するにもかかわらず、位相感受性検出は量子レベルでノイズフリーの動作を達成できるのか？
• RQ4 位相感受性混合検出において、画像真空ノイズが抑制される物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 位相感受性混合検出器は、画像サイドバンド真空からの測定可能な3 dBの量子ノイズペナルティを示さない。
• 実験結果は、検出出力において画像サイドバンド真空の量子ノイズが存在しないことを確認した。
• 検出器はノイズフリーの動作を達成しており、位相感受性検出が通常のノイズペナルティなしに量子制限性能に達できることを示している。
• 画像真空ノイズの抑制は、従来の混合検出とは異なる根本的なメカニズムを示唆している。