[논문 리뷰] Quantum Enhanced Measurement of an Optical Frequency Comb

Yin Cai, Jonathan Roslund외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중픽셀 스펙트럴 해상도(MPSR) 검출기와 다중모드 양자 압축된 빛을 사용하여, 표준 양자 한계를 초월해 광학 주파수 커브의 평균 에너지 및 중심 주파수를 동시에, 단일 촬영으로 다중 매개변수 추정을 수행함을 보여준다. 양자 주파수 커브에서 헤르mite-고전리안 스펙트럴 모드를 활용함으로써, 두 매개변수에 대한 신호 대 잡음비는 각각 19%와 15% 향상되었으며, 광학 장치를 변경하지 않고도 달성되었다.

ABSTRACT

Measuring the spectral properties of an optical frequency comb is among the most fundamental tasks of precision metrology. In contrast to general single-parameter measurement schemes, we demonstrate here single shot multiparameter estimation at and beyond the standard quantum limit. The mean energy and the central frequency of ultrafast pulses are simultaneously determined with a multi-pixel-spectrally-resolved (MPSR) apparatus, without changing the photonics architecture. Moreover, using a quantum frequency comb that consists of multiple squeezed states in a family of Hermite-Gaussian spectral/temporal modes, the signal-to-noise ratios of the mean energy and the central frequency measurements surpass the shot-noise limit by around 19% and 15%, respectively. Combining our multi-pixel detection scheme and the intrinsic multimode quantum resource could find applications in ultrafast quantum metrology and multimode quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 단일 촬영으로 초고속 광학 시스템의 광학 주파수 커브의 다중 스펙트럴 매개변수를 동시에 고정밀도로 추정할 수 있도록 하는 것.
• 초고속 광학 시스템에서 전통적인 단일 매개변수, 산란 잡음 한계에 얽매인 측정 기술의 한계를 극복하는 것.
• 내재된 다중모드 양자 자원을 활용한 다중매개변수 추정에서의 양자 강화 감도를 입증하는 것.
• 기존 광학 아키텍처를 유지하면서도 양자 강화된 주파수 커브 특성 분석을 위한 유연한 방법을 개발하는 것.

제안 방법

• 마이크로렌즈 어레이를 갖춘 다중픽셀 스펙트럴 해상도(MPSR) 검출기를 사용하여 주파수 커브의 다양한 스펙트럴 성분을 단일 촬영 내에서 공간적으로 분리하고 검출한다.
• 다중 주파수 대역에서의 진폭 및 위상 사각형 상관관계를 측정하기 위해 스펙트럼 분산된 로컬 오실레이터를 사용한 균형형 하모니크 검출을 구현한다.
• 80%의 검출 효율과 10 MHz 대역폭을 갖춘 자체 제작 다중픽셀 검출 장치를 통해 모든 스펙트럴 채널을 동시에 측정할 수 있다.
• 측정된 사각형 상관관계로부터 다중모드 가우시안 상태의 전체 공분산 행렬을 복원하며, 공식 ⟨ô_i ô_j⟩ = ⟨Î⁻_i Î⁻_j⟩ / (4|α_i|²|α_j|²) 를 사용한다.
• 동기식으로 구동되는 OPO(SPOPO)를 통해 생성된 압축된 진공 상태가 다중모드 양자 자원을 제공하며, 첫 번째 및 두 번째 압축된 모드는 각각 평균장 모드와 도함수 모드를 근사한다.
• 신호와 로컬 오실레이터 사이의 상대 위상을 0 및 π/2로 고정하여, 공분산 복원을 위한 진폭 및 위상 사각형 상관관계를 모두 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 주파수 커브의 다중 수직 매개변수를 단일 촬영 내에서 동시에 추정할 수 있는가?
• RQ2 양자 강화 감도는 산란 잡음 한계를 초월해 평균 에너지 및 중심 주파수 측정의 신호 대 잡음비를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 헤르mite-고전리안 스펙트럴 모드에서의 다중모드 압축 상태는 초고속 측정에서 다중매개변수 추정을 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 기존 광학 아키텍처를 수정하지 않고도 양자 강화 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 다중모드 압축된 빛을 사용함으로써 평균 에너지 추정의 신호 대 잡음비는 산란 잡음 한계를 약 19% 초월한다.
• 양자 자원을 활용함으로써 중심 주파수 추정의 신호 대 잡음비는 산란 잡음 한계를 약 15% 초월한다.
• 다중픽셀에서 동시에 수행된 스펙트럼 해상도가 있는 하모닉 측정을 통해 양자 주파수 커브의 전체 공분산 행렬을 성공적으로 복원하였다.
• SPOPO 출력의 첫 번째 및 두 번째 압축된 모드는 각각 평균장 모드와 도함수 모드를 잘 근사하며, 이는 최적의 매개변수 추정을 가능하게 한다.
• MPSR 검출 기술은 광학 장치를 변경하지 않고도 병렬적으로 단일 촬영으로 다중 매개변수 추정을 수행할 수 있도록 한다.
• 시스템은 94%의 하모닉 가시도를 달성하였으며 누적 손실은 25%로, 측정된 압축 수준에는 제한이 있었지만 여전히 상당한 양자 강화 효과를 달성하였다.