[论文解读] Conditionally generating a mesoscopic superposition of N00N states

Falk Töppel, Maria V. Chekhova+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出一种条件性方法，通过在50/50分束器上干涉光子减除的压缩真空态与相干态，生成N00N态的介观叠加态，实现平均光子数达数十量级的态。所生成的态表现出强烈的量子关联性，并在显著损耗下仍能违反局部隐变量理论，使其在宏观量子应用（如光机械系统和量子存储耦合）中具有广阔前景。

ABSTRACT

We study the generation of superpositions of N00N states by overlapping few-photon-subtracted squeezed vacuum states and coherent states on a 50/50 beam splitter. Assuming parameters that are feasible with current technology results in output states with mean photon numbers of several tens. We show that the generated quantum states violate local realism even in the presence of considerable loss. The occurrence of strong quantum correlations for mesoscopic quantum states of light is particularly beneficial for coupling light and matter quantum systems.

研究动机与目标

• 开发一种基于现有光子技术的可行、条件性方法，用于生成N00N态的介观叠加态。
• 证明此类生成态即使在存在实际实验缺陷的情况下，仍表现出强烈的量子关联性并违反局部隐变量理论。
• 通过产生具有高光子数的宏观纠缠光子态，实现高效光-物质相互作用，推动量子技术发展。
• 研究在探测效率不足、相位误差和传输损耗条件下，所生成态的鲁棒性。

提出的方法

• 该方法利用50/50分束器将光子减除的压缩真空态与相干态进行干涉，生成条件性输出态。
• 光子减除通过光子数分辨探测器（PNRD）实现，当检测到m个光子时，即后选出所需输出态。
• 输出态由N00N类分量的叠加态描述，其概率振幅分布近似于Fock态的介观叠加态。
• 理论分析采用Wigner函数和Q函数，评估在损耗和探测效率不足条件下的非经典性及贝尔不等式违反情况。
• 通过一个透光率为τ′的虚拟分束器，在输出模式中引入传输损耗，并在后选过程中考虑有限探测效率η的影响。
• 通过计算在不同损耗和相位条件下输出态的Q函数，量化该态的非经典性，具体方法为检验贝尔不等式的违反程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过线性光学与光子减除，条件性地生成N00N态的介观叠加态？
• RQ2 在现实水平的损耗与探测效率不足条件下，所生成态对局部隐变量理论的违反程度如何？
• RQ3 相干态输入中的相位误差对态制备的敏感程度如何？
• RQ4 在输出模式中存在传输损耗时，N00N类光子数分布的稳定性如何？
• RQ5 该方法是否可扩展至生成适用于宏观量子应用的高平均光子数态？

主要发现

• 即使平均光子数达到数十量级，所生成态的光子数分布仍表现出两个显著的N00N类“波峰”，分别对应于某一模式中大量光子的占据。
• 在现实条件下（如30%探测效率与10%传输损耗），该态仍能违反贝尔不等式，证实其具有强非经典性。
• 贝尔不等式违反在相干态与压缩真空态之间的相对相位从π/8至π/4的宽范围内保持稳定，表明其对相位具有容忍性。
• 即使在输出模式中传输损耗显著（透光率τ′低至0.5），光子数分布中的N00N类结构仍能保持。
• 在实验缺陷（如多模输入态与相位误差）下，该方法仍保持有效性，仅导致N00N类特征出现适度退化。
• 即使相干态具有非理想相位，该态的非经典性仍能维持，贝尔不等式违反在宽广的相位窗口内持续存在。