[논문 리뷰] Quantum enhanced joint measurement of multiple non-commuting observables with SU(1,1) interferometer

Yuhong Liu, Jiamin Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 32인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 SU(1,1) 간섭계를 사용하여 비상반성 관측량—예를 들어 위상과 진폭—의 양자 강화된 동시 측정 기법을 제안한다. 광학적 비선형 증폭기에서 유도된 양자 얽힘과 어두운 무늬에서의 파괴적 양자 간섭을 활용함으로써, 모든 측정된 관측량에 동시에 표준 양자 한계를 초월하는 20%의 신호 대 잡음비(SNR) 향상을 달성하며, 임의의 비상반성 위상-진폭의 동시 측정에 일반화 가능한 접근법을 보여준다.

ABSTRACT

Heisenberg uncertainty relation in quantum mechanics sets the limit on the measurement precision of non-commuting observables, which prevents us from measuring them accurately at the same time. In some applications, however, the information are embedded in two or more non-commuting observables. On the other hand, quantum entanglement allows us to infer through Einstein-Podolsky-Rosen correlations two conjugate observables with precision better than what is allowed by Heisenberg uncertainty relation. With the help of the newly developed SU(1,1) interferometer, we implement a scheme to measure jointly information encoded in multiple non-commuting observables of an optical field with a signal-to-noise ratio improvement of about 20 % over the standard quantum limit on all measured quantities simultaneously. This scheme can be generalized to the joint measurement of information in arbitrary number of non-commuting observables.

연구 동기 및 목표

• 비상반성 관측량의 동시 측정에 있어 하이젠베르크 불확정성 원리의 제약를 극복하기 위해.
• 표준 양자 한계를 초월하여 위상과 진폭과 같은 다수의 비상반성 관측량을 동시 측정할 수 있도록 하기 위해.
• EPR 상관관계를 통한 양자 얽힘을 활용하여, 고전적 한계를 초월하는 정밀도로 다수의 쌍대 관측량을 추론하기 위해.
• 양자 미세측정에서 다중 관측량 동시 측정을 위한 SU(1,1) 간섭계의 실현 가능성과 확장성을 입증하기 위해.
• 노이즈 성능에 대한 상충 관계 없이, 모든 측정된 비상반성 관측량에 동시에 민감도 향상을 달성하기 위해.

제안 방법

• 비선형 요소를 사용해 빔 스플리터를 대체함으로써 양자 노이즈 상쇄를 가능하게 하는 두 개의 광학적 비선형 증폭기(OPA)를 기반으로 한 SU(1,1) 간섭계를 활용한다.
• 첫 번째 OPA(OPA1)는 얽힌 신호 및 아이델 빛을 생성하여 EPR 유형의 상관관계를 형성함으로써, 비상반성 관측량의 샘플링 노이즈 이하의 추론이 가능하게 한다.
• 두 번째 OPA(OPA2)는 위상 민감성 증폭기로 기능하여, 신호 및 아이델 출력을 동시에 증폭함으로써 두 위상-진폭 진폭에 대한 SNR 향상을 높인다.
• 고정된 로컬 오실레이터를 사용하여 신호 및 아이델 출력에서 동조 검파를 수행함으로써, 높은 위상 안정도로 특정 위상-진폭 진폭(X̂(φ1), X̂(φ2), X̂(φ3))을 측정한다.
• 피에조 전기 변환기의 디지털 피드백 루프(PLL)를 통한 사인파 변조를 통해 로컬 오실레이터 및 OPA2 풼스의 상대 위상을 고정함으로써 위상 고정을 달성한다.
• 시스템은 어두운 무늬에서 작동하여 최대한의 파괴적 양자 간섭을 유도함으로써, 모든 위상 각도에서 노이즈를 최소화하고 동시에 SNR 향상을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상반성 관측량의 다중 동시 측정에 있어 양자 얽힘을 활용하여 표준 양자 한계를 초월하는 민감도 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SU(1,1) 간섭계 아키텍처는 다중 위상-진폭에서 동시에 노이즈 상쇄 및 신호 증폭을 어떻게 실현하는가?
• RQ3 이 기법을 사용한 위상 및 진폭 변조의 동시 측정에서, 고전적 및 전통적인 양자 접근법에 비해 달성 가능한 SNR 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 이 기법은 임의의 수의 비상반성 위상-진폭 진폭 동시 측정으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 실제 손실 및 검출 비효율 조건 하에서, SU(1,1) 간섭계의 성능은 고전적 빔 스플리터 및 증폭기 기반 기법과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• SU(1,1) 간섭계는 위상 및 진폭 변조에 대해 표준 양자 한계 대비 20%의 SNR 향상을 기록하며, 모든 측정된 관측량에 동시에 향상가능하다.
• SU(1,1) 기법의 SNR는 G₁ 및 g₁이 각각 첫 번째 OPA의 이득 및 노이즈 매개변수일 때, 고전적 SNR의 (G₁ + g₁)² 배로 스케일링되며, 이는 민감도 향상에 기여한다.
• 비교 기준이 공정한 조건에서, 이 기법은 고전적 빔 스플리터 및 증폭기 기반 기법보다 뛰어나며, 비활성 포트에서의 진공 노이즈로 인한 3 dB의 SNR 손실을 겪지 않는다.
• 디지털 피드백 루프를 통한 로컬 오실레이터 및 OPA2 풀스의 위상 고정은 다양한 위상 각도에서 다수의 위상-진폭 진폭을 안정적이고 고정밀도로 측정할 수 있도록 한다.
• 신호 출력을 분할하고 추가적인 동조 검파 장치를 사용함으로써, 임의의 수의 비상반성 관측량 동시 측정으로 이 기법을 일반화할 수 있다.
• 실험 결과는 이론적 예측을 확인한다: SU(1,1) 기법은 고전적 기법보다 진폭(X̂) 및 위상(Ŷ) 변조 모두에서 더 높은 SNR를 달성하며, 주파수 도메인에서 각각 0.8 MHz(AM) 및 1.2 MHz(PM)에서 명확한 피크를 보인다.