[论文解读] Graph states and carrier-envelope phase squeezing

Olivier Pfister|ArXiv.org|Jan 16, 2007

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出了一类基于光学生频梳中多模压缩的连续变量图态新类别，证明此类态可描述纠缠，特别是锁模激光器中的载波包络相位（CEP）压缩。通过量子外差复用，作者提出一种可扩展的检测方法来测量CEP压缩，该方法作为多体纠缠的判据，实现了对光学生频梳中高维纠缠的实验验证。

ABSTRACT

We outline a new class of continuous-variable graph states that can be useful to describe entangle- ment, and also multimode squeezing, in an optical frequency comb. We show that a particular case of such states coincides with the squeezing of the carrier-envelope phase, or of the total intensity, of a mode-locked laser. We then discuss the experimental issues related to measuring the quantum noise of the carrier-envelope phase of a frequency comb and show that this can be carried out by use of quantum heterodyne multiplexing, a technique that may be useful to measure multipartite entanglement as well.

研究动机与目标

• 开发描述光学生频梳中多模压缩和纠缠的连续变量图态的理论框架。
• 建立图态与锁模激光器中载波包络相位（CEP）压缩之间的联系。
• 提出一种实验可行的方法，利用量子外差复用测量CEP压缩。
• 通过利用频率域实现多路复用的量子信号读出，实现对频梳中多体纠缠的检测。

提出的方法

• 本文使用非线性光学纠缠（NOC）哈密顿量建模多模压缩，其中所有模式对之间均存在相互作用，表示为完全连通的图态。
• 推导场正交分量的海森堡运动方程，表明相位和算符 $\mathbf{P} = \sum_j P_j$ 在 $N$ 个模式下被压缩 $N-1$ 倍。
• 采用量子外差复用，使用单个本振在两个非简并模式的平均频率上，通过平衡外差检测测量相位和压缩。
• 通过在多个边带频率上解调光电流，将该方法扩展至多模式，利用本振光频梳重建总相位和 $\mathbf{P}$。
• 检测装置通过在特定拍频处发生干涉，滤除真空涨落和直流分量，从而隔离相位和算符的量子噪声。
• 通过使用频梳本振，证明该技术在带宽受限条件下仍能保持完整的相位和重建，具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从光学生频梳中的多模压缩相互作用构造出连续变量图态？
• RQ2 频梳的载波包络相位（CEP）与图态形式下的多体纠缠和压缩有何关系？
• RQ3 能否利用量子外差复用以高保真度检测频梳的总相位压缩？
• RQ4 在锁模激光系统中观察和测量CEP压缩需要哪些实验条件？
• RQ5 该检测方法能否推广用于测量多模连续变量系统中的多体纠缠？

主要发现

• 在NOC哈密顿量下，相位和算符 $\mathbf{P} = \sum_{j=1}^N P_j$ 被压缩 $N-1$ 倍，表明该GHZ类态具有强纠缠。
• 总相位和 $\mathbf{P}$ 满足 $\mathbf{P}(t) = \mathbf{P}(0) e^{-(N-1)\kappa t}$，表明压缩程度随模式数呈指数增强。
• 量子外差复用通过使用单个本振在两个非简并模式的平均频率上，实现了对总相位和压缩的检测。
• 通过使用频梳本振，该方法可扩展至 $N$ 个模式，即使在带宽受限条件下，也能实现 $\sum_{j=-n}^n P_j$ 的完整重建。
• 由于采用平衡检测和频域信号分离，该技术对真空噪声和直流分量具有鲁棒性。
• 该检测方法具有可扩展性，可用于测量多体纠缠，且总相位和压缩作为GHZ型纠缠的判据。