[論文レビュー] Spectrally resolved NOON state interference

Rui‐Bo Jin, Ryōsuke Shimizu+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2021

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、周波数および時間領域における連合スペクトル強度（JSI）を測定することで、最初の実験的観測であるスペクトル的に分解能のあるノン状態干渉（NOON-SI）を示している。従来の時間領域測定ではスペクトル情報が失われるのに対し、著者らは周波数領域でも干渉パターンが維持されることを示しており、特に非ゼロ遅延において顕著である。これにより、フィッシャー情報量が増加し、標準的なNOON-SIの限界を超える位相推定精度が達成される。

ABSTRACT

NOON state interference (NOON-SI) is a powerful tool to improve the phase sensing precision, and plays an important role in quantum measurement. In most of the previous NOON-SI experiments, the measurements were performed in time domain where the spectral information of the involved photons was integrated and lost during the measurement. In this work, we experimentally measured the joint spectral intensities (JSIs) at different positions of the interference patterns in both time and frequency domains. It was observed that the JSIs were phase-dependent and show odd (even)-number patterns at $0$ ($π$) phase shift; while no interference appeared in time domain measurement, the interference pattern clearly appeared in frequency domain. To our best knowledge, the latter is the first observation of the spectrally resolved NOON state interference, which provides alternative information that cannot be extracted from the time-domain measurement. To explore its potential applications, we considered the interferometric sensing with our setup. From the Fisher information-based analysis, we show that the spectrally resolved NOON-SI has a better performance at non-zero-delay position than its non-spectrally resolved counterpart. The spectrally resolved NOON-SI scheme may be useful for quantum metrology applications such as quantum phase sensing, quantum spectroscopy, and remote synchronization.

研究の動機と目的

• 従来のNOON-SI実験が時間領域測定においてスペクトル情報を統合するという制限を克服すること。
• 時間および周波数領域における連合スペクトル強度（JSI）の測定を通じて、エンタングルド光子のスペクトル相関がNOON状態干渉に与える役割を調査すること。
• スペクトル的に分解能のある検出が、非スペクトル的に分解能のないNOON-SIに比べて位相センシング性能を向上させるかどうかを評価すること。
• スペクトル的に分解能のあるNOON-SIが量子メトロロジー、分光法、遠距離時 clocks 同期に与える可能性を調査すること。

提案手法

• 1584 nmのタイプII自己周波数変換非線形効果（SPDC）光源を用いて偏光エンタングルドNOON状態を生成した。
• 信号光子およびイナイター光子の連合スペクトル強度（JSI）を解像するために、二つの分光器を用いた2次元スペクトル測定技術を採用した。
• ピエゾエレクトリックアクチュエータ（PZT）を用いて二つの光路間の相対遅延をスキャンし、時間および周波数領域における一致計数を記録した。
• Gerritsら（2015）のスペクトル相関測定技術を応用することで、高いスペクトル分解能と高速取得を実現した。
• 理論的モデリングでは、連合スペクトル振幅 $ f(\omega_s, \omega_i) $ を用いて、スペクトル的に分解能のある（SR）および非スペクトル的に分解能のない（NSR）両ケースのフィッシャー情報量を計算した。
• フィッシャー情報量は $ F_{SR}(\tau) = \int\!\!\!\int |f(\omega_s, \omega_i)|^2 (\omega_s + \omega_i)^2 d\omega_s d\omega_i $ を用いて計算され、時間領域可視度との比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間領域では消えてしまう干渉パターンが、周波数領域でも観測可能かどうか。
• RQ2 NOON-SIにおける位相遅延に伴うエンタングルド光子のスペクトル相関（JSI）の変化はいかなるものか。
• RQ3 スペクトル的に分解能のある検出が、従来の時間領域検出に比べてより高いフィッシャー情報量を提供するか。
• RQ4 広範な遅延範囲において、スペクトル的に分解能のあるNOON-SIが位相または遅延推定においてどのような性能優位性を示すか。
• RQ5 NOON-SIにおけるJSIの位相依存構造は、HOM干渉における位相非依存のJSIとはどのように異なるか。

主な発見

• 時間領域では10 psの遅延で可視度が0%に低下したにもかかわらず、周波数領域では明確な干渉パターンが観測された。
• 0位相シフトでは奇数番目のパターン、π位相シフトでは偶数番目のパターンを示し、位相依存のスペクトル構造が確認された。
• 非ゼロ遅延では、スペクトル的に分解能のあるフィッシャー情報量（$ F_{SR} $）が最大値に達し、維持された。これに対して非スペクトル的に分解能のない対応（$ F_{NSR} $）は遅延とともに劣化した。
• 理論的解析により、$ F_{SR} $ はすべての遅延において最大の可能なフィッシャー情報量に達することが確認された。これに対して $ F_{NSR} $ は干渉中心から離れるに従い減少する。
• NOON-SIにおけるスペクトル相関構造は、$ \omega_s $-$ \omega_i $ 平面上で反対角方向に分裂するが、HOM干渉では和周波数干渉と差周波数干渉の違いにより対角方向に分裂するのと対照的である。
• 二重分光器による2次元スペクトル解像度のおかげで、従来はアクセスできなかったスペクトル情報が明らかになった。これは、量子メトロロジーおよび分光法におけるより高精度なパrameter推定の可能性を示唆している。