[论文解读] Quantum-limited determination of refractive index difference by means of entanglement

Mattis Reisner, Florent Mazeas+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Optical Network Technologies参考文献 33被引用 14

一句话总结

本文提出一种利用低相干能量-时间纠缠光子在Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪中测量光纤中折射率差（Δn）的量子增强方法。通过利用量子干涉与色散抵消效应，该技术实现了Δn的6×10⁻⁷记录精度，相比经典方法提升4倍，实现了对高功率光纤激光器用材料的超精确表征。

ABSTRACT

Shaping single-mode operation in high-power fibres requires a precise knowledge of the gain-medium optical properties. This requires accurate measurements of the refractive index differences ($\\Delta$n) between the core and the cladding of the fiber. We exploit a quantum optical method based on low-coherence Hong-Ou-Mandel interferometry to perform practical measurements of the refractive index difference using broadband energy-time entangled photons. The precision enhancement reached with this method is benchmarked with a classical method based on single photon interferometry. We show in classical regime an improvement by an order of magnitude of the precision compared to already reported classical methods. Strikingly, in the quantum regime, we demonstrate an extra factor of 4 on the accuracy enhancement, exhibiting a state-of-the-art $\\Delta$n precision of $6.10^{-7}$. This work sets the quantum photonics metrology as a powerful characterization tool that should enable a faster and reliable design of materials dedicated to light amplification.

研究动机与目标

• 为解决高功率光纤激光器中所用光学材料折射率差（Δn）缺乏精确实验测量方法的问题。
• 克服经典光学相干断层扫描（OCT）受色散限制、精度仅约10⁻⁴的局限性。
• 开发一种实用的、量子增强的计量技术，实现单模光纤设计中子10⁻⁶量级Δn精度。
• 证明量子光学干涉仪结合纠缠光子相比经典单光子干涉仪具有更高的精度与鲁棒性。

提出的方法

• 该方法采用马赫-曾德尔干涉仪，输入为通过自发参量下转换（SPDC）产生的宽带、低相干能量-时间纠缠光子对。
• 使用双芯光纤样品，其芯层由不同材料构成（如VLMA光纤的芯与包层），以形成两条光路，其时间延迟Δτ对应于折射率差。
• 干涉仪采用共路光路设计与单模光纤分束器，确保模场重叠与稳定性，最大限度减少相位波动。
• 在参考臂中使用纳米定位平台，实现20 nm分辨率的光程长度精确控制，以扫描时间域中的HOM深谷。
• 通过基于傅里叶变换的估计器，分析低频段HOM干涉图案的光谱相位，提取时间延迟Δτ。
• 通过测量符合计数（量子）与单光子计数（经典）对比量子与经典方法，使用相同的光谱带宽以实现公平基准比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过纠缠光子实现的量子增强干涉仪是否能在测量折射率差方面实现高于经典干涉仪的精度？
• RQ2 能量-时间纠缠光子对中的色散抵消在材料表征中能在多大程度上提升测量的鲁棒性与分辨率？
• RQ3 HOM干涉仪是否可实际应用于测量真实宏观光学样品（如50 cm长的光纤）中的Δn，而无需使用超短样品？
• RQ4 在样品引入损耗与环境噪声条件下，Δn测量精度如何随量子与经典探测方式变化？
• RQ5 在实际非理想实验装置中，量子光学计量可实现的Δn精度极限是多少？

主要发现

• 该量子方法实现了6×10⁻⁷的折射率差测量精度，相比经典方法提升4倍。
• 使用相同光源带宽的经典单光子干涉仪精度约为6×10⁻⁶，比以往报道的经典方法提升一个数量级。
• 量子增强源于能量相关性引起的色散抵消效应，以及在被测样品中对损耗的强鲁棒性。
• HOM深谷测量对干涉仪两臂间相对相位波动不敏感，无需复杂稳定系统。
• 该方法可在50 cm长的光纤样品中实现精确Δn测量，证明其在典型经典HOM实验中子100 μm限制之外的实际适用性。
• 该实验方法具有普适性且与被测样品无关，可广泛适用于各类光学材料。