[论文解读] Enhanced nonlinear interferometry via seeding

Jefferson Flórez, Emma Pearce+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文表明，即使在存在内部损耗和探测器非效率的现实条件下，通过相干态或数态对非线性 SU(1,1) 干涉仪的一个输入模式进行泵浦，也能显著提升干涉条纹可见度、对比度、相位灵敏度和信噪比。仅需数十个泵浦光子，系统即可实现与未泵浦的理想干涉仪相当的量子极限相位灵敏度。

ABSTRACT

We analyse a nonlinear interferometer, also known as an SU(1,1) interferometer, in the presence of internal losses and inefficient detectors. To overcome these limitations, we consider the effect of seeding one of the interferometer input modes with either a number state or a coherent state. We derive analytical expressions for the interference visibility, contrast, phase sensitivity, and signal-to-noise ratio, and show a significant enhancement in all these quantities as a function of the seeding photon number. For example, we predict that, even in the presence of substantial losses and highly inefficient detectors, we can achieve the same quantum-limited phase sensitivity of an unseeded nonlinear interferometer by seeding with a few tens of photons. Furthermore, we observe no difference between a number or a coherent seeding state when the interferometer operates in the low-gain regime, which enables seeding with an attenuated laser. Our results expand the nonlinear interferometry capabilities in the field of quantum imaging, metrology, and spectroscopy under realistic experimental conditions.

研究动机与目标

• 解决实际量子计量设置中，由于内部损耗和探测器非效率导致的非线性干涉仪性能退化问题。
• 研究对一个输入模式进行相干态或数态泵浦，是否能够恢复或提升关键性能指标，如可见度、对比度、相位灵敏度和信噪比。
• 推导在包含非对称参量增益和损耗元件的现实条件下，干涉仪性能的解析表达式。
• 确定相干态泵浦在何种条件下可有效替代数态泵浦，从而实现使用衰减激光作为光源。

提出的方法

• 采用紧凑的矩阵形式对非线性干涉仪进行建模，该形式包含内部损耗、探测器非效率以及非对称参量增益。
• 在其中一个输入模式上使用相干态 |μ⟩ 作为泵浦态，该态通过非简并参量放大器中的级联非线性过程演化。
• 推导光子数算符期望值的解析表达式，包括二阶矩，以计算相位灵敏度和方差。
• 利用高斯形式化方法验证相干态泵浦的结果，避免显式级数求和。
• 通过分析输出信号强度差（最大值与最小值之差）随相对相位的变化，计算干涉条纹可见度和对比度。
• 通过输出光子数均值对相位的导数计算相位灵敏度，并将其与信噪比关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 以相干态或数态泵浦，如何影响损耗和非效率非线性干涉仪的可见度和对比度？
• RQ2 泵浦在多大程度上能够补偿内部损耗和探测器非效率，以实现量子极限相位灵敏度？
• RQ3 作为泵浦光子数的函数，相位灵敏度和信噪比的定量提升程度如何？
• RQ4 在低增益区域，数态泵浦与相干态泵浦的性能提升是否等效？
• RQ5 是否可以有效使用衰减激光作为泵浦源，而不会损害性能？

主要发现

• 仅需数十个泵浦光子，即使存在显著的内部损耗和探测器非效率，干涉仪也能实现与未泵浦理想干涉仪相当的量子极限相位灵敏度。
• 随着泵浦光子数的增加，干涉条纹可见度和对比度显著提升，在现实条件下趋近理论极限。
• 信噪比随泵浦光子数单调提升，显示出直接的标度优势。
• 在低增益区域，数态泵浦与相干态泵浦的性能无法区分，验证了使用衰减激光作为实际泵浦源的可行性。
• 相位灵敏度的提升在广泛的损耗和探测非效率水平下均保持稳健，使该方案适用于实际量子计量应用。
• 解析模型预测，输出光子数的方差随泵浦而增加，但由于信号导数相对于噪声更强，相位灵敏度仍得到改善。