[论文解读] Noise-immune quantum correlations of intense light

Shiekh Zia Uddin, Nicholas Rivera+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出量子敏感性分析，这是一种从头算框架，通过利用经典模拟和敏感性梯度，预测高度多模光-物质系统中量子噪声的传播。该方法实现了对量子涨落的精确控制，表明即使在单个波长噪声较高的情况下，仍可产生超低噪声波长对，并通过利用真空涨落的光谱动力学，实现在强光、复杂光源中的压缩。

ABSTRACT

Lasers with high intensity generally exhibit strong intensity fluctuations far above the shot-noise level. Taming this noise is pivotal to a wide range of applications, both classical and quantum. Here, we demonstrate the creation of intense light with quantum levels of noise even when starting from inputs with large amounts of excess noise. In particular, we demonstrate how intense squeezed light with intensities approaching 0.1 TW/cm^2, but noise at or below the shot noise level, can be produced from noisy inputs associated with high-power amplified laser sources (an overall noise-reduction of 30-fold). Based on a new theory of quantum noise in multimode systems, we show that the ability to generate quantum light from noisy inputs results from multimode quantum correlations, which maximally decouple the output light from the dominant noise channels in the input light. As an example, we demonstrate this effect for femtosecond pulses in nonlinear fibers, but the noise-immune correlations that enable our results are generic to many other nonlinear systems in optics and beyond.

研究动机与目标

• 开发一种通用的理论框架，用于预测在传统方法失效的复杂、高度多模光-物质系统中的量子噪声动力学。
• 解决在非线性、多模光学系统（如超连续谱生成和孤子微梳）中缺乏噪声传播通用规则的问题。
• 通过利用真空涨落的光谱动力学，实现利用强光、噪声大且复杂的光源工程化量子光态（如压缩态）。
• 提供一种可预测且经实验验证的工具，用于跨电磁光谱的量子噪声控制，特别是在集成和非线性光子系统中。
• 将量子光学从少模系统扩展至包含材料自由度（如激子和极化子）的噪声敏感应用。

提出的方法

• 开发量子敏感性分析框架，利用伴随法优化和梯度传播，计算输出量子噪声对输入场和材料参数的敏感性。
• 使用非线性光-物质相互作用的经典模拟（例如在非线性波导和微梳中）通过量子光学全方差定律计算完整的量子噪声协方差矩阵。
• 将该框架应用于预测非线性作用和拉曼散射下真空涨落的光谱演化，识别光谱去相关和噪声抑制的条件。
• 在实验中使用可编程光谱滤波器采样多种滤波函数，并测量相对于散粒噪声的噪声水平，以验证理论预测。
• 通过拟合线性损耗行为校准实验噪声水平，确认入射光比散粒噪声水平高10 dB，并利用此结果验证理论相关矩阵。
• 利用模拟得到的理论相关矩阵预测压缩性能，结果显示在光谱噪声分布上与实验数据高度一致。

Figure 1: Quantum sensitivity analysis of light-matter interactions. (a) A generic optical system can be specified as a set of linear and nonlinear optical components with input and output ports. The inputs can be populated with light (e.g., electromagnetic field modes of any type) or matter excitat

实验结果

研究问题

• RQ1 在传统少模近似失效的高度多模、非线性光-物质系统中，如何预测和控制量子噪声？
• RQ2 真空涨落的光谱去相关是否能够实现从强光、噪声大且复杂的光源中生成压缩态？
• RQ3 在具有强非线性、色散和多个相互作用自由度的系统中，量子噪声传播的通用规则是什么？
• RQ4 在复杂光学系统中，经典模拟和敏感性梯度在多大程度上可预测量子噪声动力学？
• RQ5 如何利用量子敏感性分析优化泵浦配置和材料参数，以在量子计量学和集成光子学中实现最小噪声？

主要发现

• 该框架准确预测了超快多模系统中的量子噪声动力学，理论预测与实验测量的光谱噪声分布之间具有高度一致性。
• 在超连续谱生成中，该框架解释了尽管单个波长因真空涨落的非线性放大而噪声极高，但超低噪声波长对仍能出现。
• 实验表明，当平均滤波器透射率为10%时，噪声可降低至比散粒噪声水平低4 dB，与理论预测一致。
• 理论建模证实，真空涨落的光谱去相关可实现强光、多模脉冲中的有效压缩，即使单个模式噪声极高。
• 量子光学全方差定律使经典模拟能够准确预测噪声，为复杂系统中的量子噪声工程提供了可扩展路径。
• 该框架可实现最优泵浦和滤波配置的设计，以最大化压缩性能，即使在制造约束下也适用，并可扩展至包含激子和极化子等材料自由度的系统。

Figure 2: Spectral decorrelation of vacuum fluctuations in nonlinear optics. (a) Intensity noise as a function of wavelength (similar to Fig. 1d) for an injected peak power of 2.5 kW. Blue represents noise for injected coherent states (same as bottom curve in Fig. 1d). Red represents a case where 20