[논문 리뷰] Spectrally resolved NOON state interference

Rui‐Bo Jin, Ryōsuke Shimizu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 02.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주파수 및 시간 도메인에서 연관 스펙트럴 강도(JSI)를 측정함으로써 스펙트르 해상도가 있는 NOON 상태 간섭(NOON-SI)의 첫 실험적 관측을 보여준다. 전통적인 시간 도메인 측정 방식은 스펙트럴 정보를 잃는 반면, 저자들은 간섭 무늬가 주파수 도메인에서도 유지됨을 입증하며, 특히 비영인 지연에서 더 높은 페어시 정보를 제공하고 표준 NOON-SI 한계를 초월하는 위상 추정 정밀도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간 도메인 측정에서 스펙트럴 정보를 통합하는 데서 비롯하는 전통적 NOON-SI 실험의 한계를 극복하기 위해.
• 시간 및 주파수 도메인에서 연관 스펙트럴 강도(JSI)를 측정함으로써 양자 얽힌 광자의 스펙트럴 상관관계가 NOON 상태 간섭에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 스펙트르 해상도가 있는 검출이 비스펙트르 해상도 기반 NOON-SI에 비해 위상 감지 성능을 향상시키는지 평가하기 위해.
• 스펙트르 해상도가 있는 NOON-SI가 양자 미세측정, 스펙트로스코피 및 원격 동기화 분야에서 잠재적 응용 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 1584 nm에서 작동하는 타입-II 자발적 파라메트릭 분할(SPDC) 소스를 이용해 편광 얽힌 NOON 상태를 생성하였다.
• 신호 및 보조 광자의 연관 스펙트럴 강도(JSI)를 해상하기 위해 두 개의 스펙트로미터를 사용하는 이차원 스펙트럼 측정 기술을 적용하였다.
• 피에조 전기 액추에이터(PZT)를 이용해 두 경로 간의 상대적 지연을 스캔하고 시간 및 주파수 도메인에서 동시 발생 수를 기록하였다.
• Gerrits 등(2015)의 스펙트럼 상관 측정 기술을 적용하여 높은 스펙트럼 해상도와 빠른 측정 속도를 확보하였다.
• 이론적 모델링은 연관 스펙트럼 진폭 $ f(\omega_s, \omega_i) $ 를 사용하여 스펙트르 해상도가 있는(SR) 및 비스펙트르 해상도가 있는(NSR) 경우의 페어시 정보를 계산하였다.
• 페어시 정보는 $ F_{SR}(\tau) = \int\!\!\!\int |f(\omega_s, \omega_i)|^2 (\omega_s + \omega_i)^2 d\omega_s d\omega_i $ 를 통해 계산되었으며, 이는 시간 도메인 해상도와의 비교를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 도메인에서 간섭 무늬가 사라지는 상황에서, 주파수 도메인에서도 NOON 상태 간섭의 간섭 무늬를 관측할 수 있는가?
• RQ2 NOON-SI에서 위상 지연에 따라 양자 얽힌 광자의 스펙트럼 상관관계(JSI)는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 스펙트르 해상도가 있는 검출이 위상 추정에 있어 전통적인 시간 도메인 검출보다 더 높은 페어시 정보를 제공하는가?
• RQ4 광범위한 지연 범위에서 스펙트르 해상도가 있는 NOON-SI가 위상 또는 지연 시간 추정에 있어 성능상의 이점을 보이는가?
• RQ5 NOON-SI에서 위상에 따라 변하는 JSI의 구조는 HOM 간섭에서 관찰되는 위상에 무관한 JSI와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 시간 도메인에서는 10 ps 지연에서 해상도가 0%로 떨어지며 간섭 무늬가 보이지 않았지만, 주파수 도메인에서는 명확한 간섭 무늬가 관측되었다.
• 0 위상 이동에서 홀수 번째 패atters, π 위상 이동에서 짝수 번째 패턴을 보이며, 이는 위상에 따라 달라지는 스펙트럼적 특성을 나타낸다.
• 비영 지연에서 스펙트르 해상도가 있는 페어시 정보($ F_{SR} $)는 최대에 도달하고 높은 수준을 유지하며, 비스펙트르 해상도 대비($ F_{NSR} $)가 지연에 따라 악화되는 것과 대비된다.
• 이론적 분석을 통해 $ F_{SR} $ 는 모든 지연에서 최대 가능한 페어시 정보를 달성하는 반면, $ F_{NSR} $ 는 간섭 중심에서 벗어날수록 감소한다는 것이 확인되었다.
• NOON-SI에서의 스펙트럼 상관 구조는 $ \omega_s $-$ \omega_i $ 평면에서 반대대각선 방향으로 분리되는 반면, HOM 간섭에서는 합주파수 간섭과 차주파수 간섭의 영향으로 대각선 방향으로 분리됨을 비교하여 나타낸다.
• 이중 스펙트로미터에 의한 이차원 스펙트럼 해상도가 이전에 접근할 수 없었던 스펙트럼 정보를 드러내었으며, 이는 양자 미세측정 및 스펙트로스코피 분야에서 더 높은 정밀도의 매개변수 추정 가능성을 시사한다.