[論文レビュー] Coherent and Squeezed Vacuum Light Interferometry: Parity detection hits the Heisenberg limit

Kaushik P. Seshadreesan, Petr M. Anisimov+2 more|May 13, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 31

ひとこと要約

この論文は、コherentおよびスケールド真空光を用いたマハトゥン・ゼンダ干渉計におけるパリティ検出が、二つの入力がバランスしている場合にヘイセンベルク限界に達する位相感度を達成することを示している。この方式は、量子クラーメル・ラオの下界に到達し、複雑な光子数分解検出や対称対数微分測定の実用的代替手段を提供する。高パワー領域におけるホモダイニングまたは非線形光学による実装が可能である。

ABSTRACT

The interference between coherent and squeezed vacuum light can produce path entangled states with very high fidelities. We show that the phase sensitivity of the above interferometric scheme with parity detection saturates the quantum Cramer-Rao bound, which reaches the Heisenberg-limit when the coherent and squeezed vacuum light are mixed in roughly equal proportions. For the same interferometric scheme, we draw a detailed comparison between parity detection and a symmetric-logarithmic-derivative-based detection scheme suggested by Ono and Hofmann.

研究の動機と目的

• 非古典的光を用いた線形光学干渉計においてヘイセンベルク限界に達する位相推定を達成すること。
• 対称対数微分測定のような複雑な検出方式と比較して、パリティ検出が実用的代替手段であるかを評価すること。
• パリティ検出とOno-Hofmann方式との間で、位相感度およびリソース効率を比較すること。
• パリティ検出が低パワーおよび高パワー領域における光子数分解検出器またはホモダイニングを用いて実装可能かどうかを評価すること。
• 量子計測スキームにおいて局所発振子の光子数をリソース予算に含めるべきかどうかを特定すること。

提案手法

• ビームスプリッターや位相シフトを用いた損失のないマハトゥン・ゼンダ干渉計を介したコherentおよびスケールド真空状態の伝搬をモデル化すること。
• 出力状態にパリティ演算子を適用して位相を推定し、信号をパリティ演算子の期待値から得ること。
• 量子クラーメル・ラオの下界を用いて位相感度を計算し、関係式 $\Delta\phi_{\rm HL} = 1/N$ を用いてヘイセンベルク限界と比較すること。
• 入力光子数 $n_c$ および $n_s$ の関数としてパリティ検出の位相感度を導出し、等しい強度で量子クラーメル・ラオの下界に到達することを示すこと。
• 局所発振子を用いた対称対数微分測定を用いてOno-Hofmann方式を分析し、$n_{\rm lo}$ を含めた位相感度を導出すること。
• 局所発振子のパワーの影響を評価し、$n_{\rm lo}$ を総光子数に含めるかどうかで位相感度を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent-スケールド真空干渉計におけるパリティ検出は、量子クラーメル・ラオの下界に到達できるか？
• RQ2 コherent光とスケールド真空光の間で、位相感度を最大にする入力パワー比は何か？
• RQ3 パリティ検出の位相感度は、Ono-Hofmann方式の対称対数微分測定と比較してどうなるか？
• RQ4 局所発振子を光子リソースの予算に含めると、Ono-Hofmann方式の位相感度は劣化するか？
• RQ5 パリティ検出はホモダイニングまたは光子数分解検出器を用いて実用的に実装可能か？

主な発見

• パリティ検出は、コherentおよびスケールド真空入力がバランスしている場合（$n_c \approx n_s \approx n_{\rm in}/2$）に、量子クラーメル・ラオの下界に到達し、ヘイセンベルク限界に達する位相感度を実現する。
• 大規模な $n_{\rm in}$ の極限において、パリティ検出の位相感度は $\Delta\phi \sim 1/n_{\rm in}$ に比例し、ヘイセンベルクスケーリングを確認する。
• Ono-Hofmann方式は、ヘイセンベルク限界に達するためには $n_{\rm lo} \sim n_{\rm in}^2$ の局所発振子が必要であり、$n_{\rm lo}$ をリソースとして数えるとショットノイズ限界に達する。
• 局所発振子を光子リソースに含めると、Ono-Hofmann方式の位相感度はショットノイズ限界に劣化し、これはホモダイニングに基づくパリティ検出とも共通する制限である。
• パリティ検出は、低パワー領域では単一モードの光子数分解検出器を用いて、高パワー領域では非線形光学を用いて実装可能であるため、実験的に有利である。
• 等高線プロットにより、バランスされた入力条件下でパリティ検出がヘイセンベルク限界の感度を達成可能であることが確認された一方、局所発振子をリソースに含める会計処理ではOno-Hofmann方式は失敗する。