[논문 리뷰] Quantum Entangled Interferometers

Z. Y. Ou, Xiaoying Li|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 113인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 분할기 대신 비선형 매개변수 증폭기를 사용하여 양자 얽힘을 생성하는 SU(1,1) 양자 얽힌 간섭계를 소개한다. 이 간섭계는 표준 양자 한계를 초월하는 단계 측정 감도를 가능하게 하며, 상호 연관된 양자 노이즈 상쇄를 통해 신호 대 노이즈 비를 향상시켜 고전적 간섭계를 능가한다. 특히 저광자 수 영역에서 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

A new type of quantum entangled interferometer was recently realized that employs parametric amplifiers as the wave splitting and recombination elements. The quantum entanglement stems from the parametric amplifiers, which produce quantum correlated fields for probing the phase change signal in the interferometer. This type of quantum entangled interferometer exhibits some unique properties that are different from traditional beam splitter-based interferometers such as Mach-Zehnder interferometers. Because of these properties, it is superior to the traditional interferometers in many aspects, especially in the phase measurement sensitivity. We will review its unique properties and applications in quantum metrology and sensing, quantum information, and quantum state engineering.

연구 동기 및 목표

• 선형 분할기 대신 매개변수 증폭기를 사용하는 새로운 양자 간섭계의 클래스를 개발하기 위해.
• 매개변수 과정에서 유도된 양자 얽힘을 활용하여 단계 측정에서 표준 양자 한계(SQL)를 극복하기 위해.
• 전통적 간섭계에 비해 손실에 대한 민감도와 내구성을 향상시키기 위해.
• 얽힌 필드를 사용한 양자 미측정, 양자 정보 및 양자 상태 공학 분야의 응용을 탐색하기 위해.
• 초기 SU(1,1) 간섭계 설계에서의 오해를 명확히 하고, 비선형 요소의 역할을 개선된 이해를 통해 성능을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 맥스웰-지엔더 간섭계의 선형 분할기 대신 비선형 매개변수 증폭기(PA)를 사용하여 파동 혼합에서 SU(1,1) 대칭성을 구현하기 위해.
• 매개변수 증폭을 통해 출력 필드 간 연속 변수 얽힘을 생성하여 양자 상관된 探측 및 기준 빛을 만드는 데 사용하기 위해.
• 상호 연관되지 않은 진공 노이즈 간 간섭을 통해 측정 노이즈를 상쇄하고 신호를 증폭하기 위해.
• 코herent 상태와 측정된 상태를 이중으로 주입하여 신호 대 노이즈 비를 향상시키고 포화 효과를 완화하기 위해.
• 다단계 매개변수 증폭기의 비환류하는 해밀토니안을 사용하여 고이득 영역을 분석하기 위해 시스템을 모델링하기 위해.
• 내부 및 외부 손실이 감도에 미치는 영향을 분석하며, 특히 내부 손실에서 기인한 상호 연관되지 않은 진공 노이즈가 성능을 떨어뜨리는 방식을 다루기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭계에서 분할기를 매개변수 증폭기로 대체할 경우, 표준 양자 한계를 초월하는 단계 측정 감도가 어떻게 향상되는가?
• RQ2 매개변수 과정를 통해 생성된 양자 얽힘은 노이즈 상쇄와 노이즈 없이 신호 증폭에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 매개변수 증폭기 내부의 손실은 단계 감도에서 헤이젠베르크 한계에 도달하는 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SU(1,1) 간섭계는 중력이나 회전과 같은 물리적 양을 측정하기 위해 응용될 수 있는가? 특히 물질파나 다른 파동 유형을 사용할 경우에 대해.
• RQ5 실제로 고광자 수 응용에서 감도를 극대화하기 위한 최적의 작동 지점과 구성은 무엇인가?

주요 결과

• SU(1,1) 간섭계는 매개변수 증폭기를 통해 생성된 양자 얽힘을 활용하여 표준 양자 한계를 초월하는 단계 측정 감도를 달성한다.
• 상호 연관된 양자 노이즈 상쇄 덕분에 검출 효율성 부족과 외부 손실에 대해 면역을 보이지만, 내부 손실은 상호 연관되지 않은 진공 노이즈를 유도하여 성능을 떨어뜨린다.
• 고이득 매개변수 증폭은 EPR 유형의 얽힘을 생성하여 완전한 양자 상태 전송 및 헤이젠베르크 한계 감도 측정에 잠재적인 응용을 가능하게 한다.
• 비환류하는 해밀토니안을 가진 다단계 SU(1,1) 간섭계를 모델링하는 데 이론적 과제가 남아 있으며, 이는 고이득 영역 분석에 어려움을 야기한다.
• 코herent 상태와 측정된 상태를 이중으로 주입하면 실용적 구현에서 성능을 향상시키고 포화 효과를 감소시킬 수 있다.
• 이 프레임워크는 원자 드 브로이 파동이나 진동파와 같은 비광학적 파동으로 확장 가능하여 중력 감지에 적합한 전물질파 SU(1,1) 간섭계를 가능하게 한다.