[论文解读] Duality in asymmetric Quantum optical Ramsey interferometers

Jesús Martínez-Linares, Julio Vargas-Medina|ArXiv.org|Aug 30, 2003

Quantum Mechanics and Applications参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文将一种形式化方法应用于非对称量子光学生拉姆干涉仪（QORI），该方法将先验可预测性（$\mathcal{P}$）与量子探测器性能（$\mathcal{Q}$）分离，其中相同的乔恩斯-卡明森相互作用同时充当分束器和路径信息探测器。研究结果表明，即使$\mathcal{D}$因$\mathcal{P}$饱和，$\mathcal{Q}$仍能量化探测器中存储的量子路径信息，证明$\mathcal{Q}$可独立于经典分束不对称性，表征探测器的内在性能。

ABSTRACT

A formalism have been recently derived [J. Martinez-Linares and D. Harmin, quantum-ph/0306057] allowing one to separate different sources of which-way information contributing to the total distinguishability D of the ways in a two-way interferometer. Here we apply the formalism to a Quantum Optical Ramsey Interferometer where both sources, the a-priori predictability of the ways P and the quantum "Quality" Q of the which-way detector, stems from the same physical interaction. We show that the formalism is able to separate both sources of which-way information. Moreover, it is shown that Q succeeds in quantifying the amount of quantum which-way information stored in the which-way detector even in cases where D does not.

研究动机与目标

• 分析非对称量子光学生拉姆干涉仪（QORI）中不同路径信息来源（WWI）之间的相互作用。
• 检验将先验可预测性（$\mathcal{P}$）与量子探测器性能（$\mathcal{Q}$）分离的形式化方法，当两种来源均源于同一物理相互作用时是否依然有效。
• 证明即使总可区分性$\mathcal{D}$因$\mathcal{P}$饱和而失效，$\mathcal{Q}$仍能量化探测器中存储的路径信息。
• 在真实且具有实验相关性的设置中验证该形式化方法——具体而言，即高精细度腔模同时充当分束器和路径信息探测器的QORI。

提出的方法

• 将先前工作[ I ]中的形式化方法应用于QORI，将总可区分性$\mathcal{D}$分解为$\mathcal{P}$（先验可预测性）和$\mathcal{Q}$（量子探测器性能）。
• 利用乔恩斯-卡明森哈密顿量对系统进行建模，描述两能级原子（Quanton）与量子化腔模（同时充当分束器和路径信息探测器）之间的相互作用。
• 通过密度矩阵形式化分析系统演化，通过对探测器自由度进行部分迹运算，计算$\mathcal{D}$、$\mathcal{P}$和$\mathcal{Q}$。
• 计算条纹可见度$\mathcal{V}$作为腔场强度$\bar{n}_0$和拉比相位$\Omega\tau$的函数，通过互补关系$\left(1-\mathcal{P}^2\right)\mathcal{Q}^2 + \mathcal{P}^2 + \mathcal{V}^2 \leq 1$将其与$\mathcal{D}$和$\mathcal{Q}$关联。
• 生成对称（$\mathcal{P}=0$）与非对称（$\mathcal{P}=1$）情况下$\mathcal{Q}$、$\mathcal{D}$和$\mathcal{V}^2$的数值图像，以比较不同腔场强度下的行为差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 当分束与路径信息探测均源于同一物理相互作用时，能否成功将$\mathcal{P}$与$\mathcal{Q}$分离的形式化方法应用于QORI？
• RQ2 当$\mathcal{D}$因$\mathcal{P}$饱和时，特别是在极端不对称性（$\mathcal{P}=1$）极限下，$\mathcal{Q}$的行为如何？
• RQ3 当$\mathcal{D}$无法反映实际存储信息量时，$\mathcal{Q}$是否仍能作为探测器中存储的量子路径信息的有效度量？
• RQ4 在QORI的强耦合区域中，$\mathcal{Q}$、$\mathcal{D}$与条纹可见度$\mathcal{V}$之间存在何种关系？

主要发现

• 在对称情况下（$\mathcal{P}=0$），有$\mathcal{Q}^2 = \mathcal{D}^2$，且两者随腔场强度$\bar{n}_0$增加而减小，而$\mathcal{V}^2$增加，表明路径信息导致相干性退化。
• 在高场强极限（$\bar{n}_0 \to \infty$）下，$\mathcal{V}^2 \to 1$且$\mathcal{Q} \to 0$，表明完美可见度与探测器中存储任何路径信息不相容。
• 在真空极限（$\bar{n}_0 = 0$）下，系统达到最大纠缠$\frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_D|a\rangle_Q + i|1\rangle_D|b\rangle_Q)$，导致$\mathcal{Q} = 1$且$\mathcal{D} = 1$，路径信息在腔场中完全存储。
• 当$\mathcal{P} = 1$时，$\mathcal{D} \geq \mathcal{P} = 1$使可区分性饱和，但$\mathcal{Q}$仍保持为1，表明即使$\mathcal{D}$无法反映，$\mathcal{Q}$仍能量化存储的路径信息。
• 该形式化方法在QORI中成功分离了$\mathcal{P}$与$\mathcal{Q}$，证明$\mathcal{Q}$可独立于经典分束不对称性，表征路径信息探测器的内在量子性能。
• 结果具有实验可行性，因为Bertet等人[9]已实验证明在强耦合区域（$\Omega\tau \sim 1$）下，$\bar{n}_0$从0到14的可见度测量已可实现。