[論文レビュー] Squeezed-Light Enhancement and Backaction Evasion in a High Sensitivity Optically Pumped Magnetometer

Troullinou, C., Jiménez-Martínez, R.+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 59

ひとこと要約

本論文は、高密度で光励起された 87Rb 磁力計において、任意の周波数帯域でノイズを増加させることなく、偏光スクリーチングを用いることで 3 dB バンド幅制限を超える感度向上を実証した。ベル＝ブルーム光励起とバックアクション回避を活用することで、プローブノイズを低減するとともに、測定バックアクションを測定されないスピン成分にシフトさせ、極めて高感度技術と適合する量子ノイズ制限性能を実現した。

ABSTRACT

We study the effect of optical polarization squeezing on the performance of a sensitive, quantum-noise-limited optically pumped magnetometer. We use Bell-Bloom (BB) optical pumping to excite a Rb87 vapor containing 8.2×1012 atoms/cm3 and Faraday rotation to detect spin precession. The sub-pT/Hz sensitivity is limited by spin projection noise (photon shot noise) at low (high) frequencies. Probe polarization squeezing both improves high-frequency sensitivity and increases measurement bandwidth, with no loss of sensitivity at any frequency, a direct demonstration of the evasion of measurement backaction noise. We provide a model for the quantum noise dynamics of the BB magnetometer, including spin projection noise, probe polarization noise, and measurement backaction effects. The theory shows how polarization squeezing reduces optical noise, while measurement backaction due to the accompanying ellipticity antisqueezing is shunted into the unmeasured spin component. The method is compatible with high-density and multipass techniques that reach extreme sensitivity.

研究の動機と目的

• 高密度光励起磁力計（OPM）における量子ノイズ低減と感度低下の根本的トレードオフを克服すること。
• 偏光スクリーチングを用いた高感度 OPM におけるバックアクション回避を実験的に示すこと。
• ベル＝ブルーム OPM における量子ノイズダイナミクスの理論モデル（スピン投影ノイズ、プローブノイズ、測定バックアクションを含む）を検証すること。
• スクリーチド光強化が高密度およびマルチパス技術とどのように適合するかを示すこと。

提案手法

• 8.2 × 10^12 個/cm³ の 87Rb 蒸気中で、コherentスピン偏極を維持するためベル＝ブルーム（BB）光励起を用い、高感度を実現した。
• 偏光回転による非共鳴プローブを用い、バランスド・ポラリメータでスピン進動を検出した。
• 光パラメトリック発振器（OPO）と PPKTP 非線形結晶を用いて偏光スクリーチドプローブ光を生成し、ノイズロック電子回路による位相安定化を実施した。
• スクリーチド真空を水平偏光の局所発振器（LO）と偏光ビームスプリッタで合成し、偏光スクリーチドプローブビームを生成した。
• 回転フレームモデルを用いて、ノイズ項および時間依存励起を含むスピンダイナミクスのランジュヴァン方程式を導出した。
• ランジュヴァン方程式のフーリエ領域解析により、磁界感度スペクトルを導出し、スピンノイズと光学プローブノイズの寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偏光スクリーチングは、任意の周波数帯域でノイズを増加させることなく、高密度で量子ノイズ制限の OPM における感度を向上させ得るか？
• RQ2 光学スクリーチングによる測定バックアクションは、BB OPM のスピン系にどのように影響を及ぼし、それを緩和できるか？
• RQ3 スクリーチングを適用した際、バックアクション回避はどの程度発生するか？ また、バックアクションノイズはどのように測定されないスピン成分にシフトされるか？
• RQ4 スクリーチド光強化は、fT/√Hz 未満の感度を実現する高密度およびマルチパス技術と適合可能か？
• RQ5 スクリーチングが BB OPM における測定帯域幅および感度スペクトルに与える定量的影響は何か？

主な発見

• 実験では、mmサイズのセルを用いた最良のスカラー OPM と同等の、低周波数磁界に対して pT/√Hz 未満の感度を達成した。
• スクリーチングにより高周波数帯域の感度が向上し、感度に劣化を来すことなく測定帯域幅が拡大され、バックアクション回避の実証がなされた。
• 理論的モデリングにより、スクリーチング由来の測定バックアクションノイズが測定されないスピン成分にシフトされることが確認され、信号の整合性が保たれた。
• 磁界感度スペクトルから、光学ノイズ（白色）とスピンノイズ（白色）が独立に寄与しており、後者はスクリーチングにより抑制されていることが示された。
• 全ノイズのパワー スペクトル密度が SB(ω) = 1/(γ²⟨u⟩²)[Δω²Sσ + (ω² + Δω²)SNS₂] に従い、モデルの正確性が裏付けられた。
• 本手法は高密度およびマルチパス技術と適合可能であり、今後の fT/√Hz 未満の感度領域への応用が可能である。