[论文解读] Conditional quantum state engineering at beam splitter arrays

Jens Clausen, Mohammed Dakna+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 1999

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本文提出了一种利用光束分离器阵列实现条件量子态制备的方法，通过相干位移和光子叠加，从真空态制备任意单模量子态，并实现与目标态的重叠测量。主要贡献是推导出一种非幺正变换算符，该算符由每个光束分离器的s-有序算符乘积构成，s的取值由光束分离器的透射率/反射率决定，该方法在薛定谔猫态类态的制备中得到验证。

ABSTRACT

The generation of arbitrary single-mode quantum states from the vacuum by alternate coherent displacement and photon adding as well as the measurement of the overlap of a signal with an arbitrarily chosen quantum state are studied. With regard to implementations, the transformation of the quantum state of a traveling optical field at an array of beam splitters is considered, using conditional measurement. Allowing for arbitrary quantum states of both the input reference modes and the output reference modes on which the measurements are performed, the setup is described within the concept of two-port non-unitary transformation, and the overall non-unitary transformation operator is derived. It is shown to be a product of operators, where each operator is assigned to one of the beam splitters and can be expressed in terms of an s-ordered operator product, with s being determined by the beam splitter transmittance or reflectance. As an example we discuss the generation of and overlap measurement with Schroedinger-cat-like states.

研究动机与目标

• 开发一种仅通过相干位移和光子叠加从真空态制备任意单模量子态的方案。
• 在光束分离器阵列中实现基于条件测量的任意输入与输出参考态的条件态制备。
• 推导光束分离器网络的一般非幺正变换算符，其参数由透射率和反射率决定。
• 验证该方法在制备和测量薛定谔猫态类态方面的可行性。
• 为在线性光学网络中实现条件量子态制备提供理论框架。

提出的方法

• 该方法利用光束分离器阵列，通过条件测量对传播光场的量子态进行变换。
• 每个光束分离器向整体变换贡献一个算符，整体表达为s-有序算符的乘积，其中s由光束分离器的透射率或反射率决定。
• 整体变换建模为单个光束分离器算符的乘积，形成非幺正变换算符。
• 该方法支持任意输入参考模式和输出参考模式，实现灵活的态制备。
• 该形式化方法被应用于通过输出条件测量生成并测量薛定谔猫态类态。
• 推导基于两通道非幺正变换理论，为每个光束分离器级次显式推导出算符表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅通过相干位移和光子叠加从真空态制备任意单模量子态？
• RQ2 由具有条件测量的光束分离器阵列产生的非幺正变换的数学结构是什么？
• RQ3 光束分离器的透射率或反射率如何影响变换中结果算符的s-有序性？
• RQ4 所提出的方法能否以高保真度生成并测量薛定谔猫态类态？
• RQ5 在条件测量下，光束分离器网络的变换算符的一般形式是什么？

主要发现

• 整体非幺正变换算符被推导为s-有序算符的乘积，其中s由光束分离器的透射率或反射率决定。
• 该方法实现了仅通过相干位移和光子叠加从真空态条件制备任意单模量子态。
• 该形式化方法支持任意输入和输出参考态，实现灵活的态制备。
• 该方法被证明适用于薛定谔猫态类态的生成与重叠测量。
• 变换在两通道非幺正框架内表达，为线性光学网络中的态制备提供系统化方法。
• 推导出的算符结构允许通过条件测量对光束分离器阵列中的量子态演化实现精确控制。