[论文解读] Beating the Shot-Noise Limit with Sources of Partially-Distinguishable Photons

Patrick M. Birchall, Javier Sabines-Chesterking+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文表明，通过使用部分可区分的光子而非完全不可区分的光源，即可实现超越散粒噪声极限的量子增强相位灵敏度。通过在马赫-曾德尔干涉仪中引入时间延迟以实验调控光子的可区分性，作者证明只要存在非零的不可区分性，海森堡极限的标度就能持续存在，显著降低了实用化量子计量技术的门槛。

ABSTRACT

Quantum metrology promises high-precision measurements beyond the capability of any classical techniques, and has the potential to be integral to investigative techniques. However, all sensors must tolerate imperfections if they are to be practical. Here we show that photons with perfectly overlapped modes, which are therefore fully indistinguishable, are not required for quantum-enhanced measurement, and that partially-distinguishable photons do not have to be engineered to mitigate the adverse effects of distinguishability. We quantify the effect of distinguishability on quantum metrology experiments, and report results of an experiment to verify that two- and four-photon states containing partially-distinguishable photons can achieve quantum-enhanced sensitivity with low-visibility quantum interference. This demonstrates that sources producing photons with mixed spectral states can be readily utilized for quantum metrology.

研究动机与目标

• 研究是否可以利用比完全不可区分光子更容易制备的部分可区分光子实现量子计量优势。
• 量化光子可区分性对干涉测量中量子干涉和相位灵敏度的影响。
• 通过实验表明，即使量子干涉可见度较低，非经典相位灵敏度依然存在。
• 证明可区分性是与损耗和相位扩散不同的误差来源，且不一定会破坏海森堡标度。
• 通过证明高度不可区分的光子源并非实现量子优势所必需，从而降低量子计量的技术门槛。

提出的方法

• 通过马赫-曾德尔干涉仪中的可变时间延迟，引入光子对和四光子态之间的可控可区分性。
• 通过在[0, 2π)范围内扫描相位θ，测量量子干涉条纹，并记录不同可区分性水平下的符合计数率。
• 利用Cramér-Rao界从拟合的干涉条纹中提取费舍尔信息F，其中F′ = F/(2n)用于归一化每光子的灵敏度。
• 在分析中对背景噪声效应进行了建模并予以校正，特别是在四光子情况下。
• 将理论预测与实验数据进行比较，使用不可区分性参数I′(x)来表征干涉程度。
• 利用实验数据和Nagata等人（2007年）的方法，估算在极端可区分性（I′=0）和完全不可区分性（I′=1）下四光子态的预期费舍尔信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使不可区分性较低，部分可区分光子是否仍能实现海森堡极限标度的量子计量？
• RQ2 在多光子干涉测量设置中，相位灵敏度的退化如何随光子可区分性的增加而变化？
• RQ3 可区分性对量子优势的影响是否可与光子损耗和相位扩散等其他缺陷分离？
• RQ4 能否有效使用具有混合光谱态的实用光子源进行量子计量，而无需完全不可区分性？
• RQ5 背景噪声和低可见度干涉在多光子态中对提取超经典费舍尔信息的影响有多大？

主要发现

• 两光子实验显示，费舍尔信息随可区分性增加而近似线性退化，与理论预测一致。
• 对于四光子态，费舍尔信息从I′=1时的预测海森堡极限值下降到I′=0时的经典极限值，证实了量子优势的持续存在。
• 在x=0（最大不可区分性）时，实验估算的四光子费舍尔信息为Λ₄ = 0.480 ± 0.005，支持了预测的标度关系。
• 尽管存在背景噪声，条纹在θ=0附近仍保持高对比度，从而实现了超经典灵敏度。
• 结果表明，只要存在非零不可区分性，即可实现量子优势，即使在其他理想条件缺失的情况下亦然。
• 该研究证实，可区分性是独立且可管理的误差源，与损耗和相位扩散不同，且不必然破坏海森堡标度。