[論文レビュー] Quantum Enhanced Measurement of an Optical Frequency Comb

Yin Cai, Jonathan Roslund+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、マルチピクセルスペクトル分解能検出器（MPSR）とマルチモードスリクされた光を用いて、標準的量子限界を超えて、光周波数コンブの平均エネルギーおよび中心周波数という複数パラメータを同時に1ショットで推定することを示している。量子周波数コンブにおけるエルミート・ガウススペクトルモードを活用することで、両パラメータの信号対雑音比（SNR）はそれぞれ19%および15%向上し、光学的セットアップを変更せずに実現された。

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.

研究の動機と目的

• 1ショットの測定で、光周波数コンブの複数のスペクトルパラメータを同時に高精度で推定することを可能にすること。
• 超高速光システムにおける従来の単一パラメータ・ショットノイズ限界測定の制限を克服すること。
• 内在的なマルチモード量子資源を用いて、複数パラメータ推定における量子強化感度を実証すること。
• 既存のフォトニクスアーキテクチャを維持したまま、量子強化型周波数コンブ特性評価のための柔軟な手法を開発すること。

提案手法

• マイクロレンズアレイを備えたマルチピクセルスペクトル分解能検出器（MPSR）を用いて、1ショットで周波数コンブの異なるスペクトル成分を空間的に分離・検出する。
• スペクトル分散された局所発振器を用いたバランスドホモダイン検出により、複数周波数帯域にわたる振幅および位相四分位相相関を測定する。
• 80%の検出効率および10 MHzの帯域幅を持つ自作マルチピクセル検出装置により、すべてのスペクトルチャンネルを同時に測定可能である。
• 測定された四分位相相関から、公式 ⟨ô_i ô_j⟩ = ⟨Î⁻_i Î⁻_j⟩ / (4|α_i|²|α_j|²) を用いて、マルチモードガウス状態の完全な共分散行列を再構成する。
• 同期駆動型OPO（SPOPO）により生成されたスリクされた真空状態が、マルチモード量子資源を提供し、最初および2番目のスリクされたモードがそれぞれ平均場モードおよび微分モードを近似的に再現する。
• 信号と局所発振器間の相対位相を0およびπ/2にロックすることで、共分散行列再構成のための振幅および位相四分位相相関を両方測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光周波数コンブの複数の直交パラメータを1回の測定で同時に推定可能か？
• RQ2 量子強化感度は、ショットノイズ限界を上回る平均エネルギーおよび中心周波数測定の信号対雑音比（SNR）をどの程度向上できるか？
• RQ3 エルミート・ガウススペクトルモードにおけるマルチモードスリクされた状態は、超高速計測における複数パラメータ推定の強化に効果的に利用可能か？
• RQ4 既存のフォトニクスアーキテクチャを変更せずに、量子強化性能を達成可能か？

主な発見

• マルチモードスリクされた光を用いることで、平均エネルギー推定の信号対雑音比（SNR）はショットノイズ限界を約19%上回った。
• 量子資源の活用により、中心周波数推定のSNRはショットノイズ限界を約15%上回った。
• 複数ピクセルにおける同時かつスペクトル分解能のあるホモダイン測定から、量子周波数コンブの完全な共分散行列が成功裏に再構成された。
• SPOPO出力の最初および2番目のスリクされたモードは、それぞれ平均場モードおよび微分モードをよく近似しており、最適なパラメータ推定を可能にした。
• MPSR検出方式により、光学的セットアップを変更せずに、複数パラメータの並列的・1ショット推定が実現された。
• 本システムは94%のホモダイン可視度を達成し、累積損失が25%であったが、それでも顕著な量子強化が実現された。