[论文解读] Quantum enhanced joint measurement of multiple non-commuting observables with SU(1,1) interferometer

Yuhong Liu, Jiamin Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用 46

一句话总结

本文提出了一种基于SU(1,1)干涉仪的量子增强联合测量方案，用于同时测量多个非对易可观测量（如相位与振幅）。通过利用光学参量放大器产生的量子纠缠以及在暗纹处的量子干涉相消，该方案在所有被测可观测量上均实现了相对于标准量子极限20%的信噪比（SNR）提升，展示了对任意非对易正交振幅实现联合测量的通用方法。

ABSTRACT

Heisenberg uncertainty relation in quantum mechanics sets the limit on the measurement precision of non-commuting observables, which prevents us from measuring them accurately at the same time. In some applications, however, the information are embedded in two or more non-commuting observables. On the other hand, quantum entanglement allows us to infer through Einstein-Podolsky-Rosen correlations two conjugate observables with precision better than what is allowed by Heisenberg uncertainty relation. With the help of the newly developed SU(1,1) interferometer, we implement a scheme to measure jointly information encoded in multiple non-commuting observables of an optical field with a signal-to-noise ratio improvement of about 20 % over the standard quantum limit on all measured quantities simultaneously. This scheme can be generalized to the joint measurement of information in arbitrary number of non-commuting observables.

研究动机与目标

• 克服海森堡不确定性原理对非对易可观测量同时测量的限制。
• 在超越标准量子极限的前提下，实现对多个非对易可观测量（如相位与振幅）的联合测量。
• 利用EPR关联实现的量子纠缠，以超越经典极限的精度推断多个共轭可观测量。
• 证明SU(1,1)干涉仪在量子计量学中实现多可观测量联合测量的可行性与可扩展性。
• 在不牺牲噪声性能的前提下，实现所有被测非对易可观测量的同步灵敏度提升。

提出的方法

• 该方案基于两个光学参量放大器（OPAs）构建SU(1,1)干涉仪，用非线性元件替代分束器，以实现量子噪声抵消。
• 第一个OPA（OPA1）生成纠缠的信号光束与闲频光束，产生EPR型关联，从而实现对非对易可观测量的亚散粒噪声推断。
• 第二个OPA（OPA2）作为相位敏感放大器，联合放大信号与闲频输出，以提升两种正交相位振幅的信噪比。
• 通过锁相本地振荡器对信号与闲频输出进行本振下混频检测，以高相位稳定性测量特定正交振幅（如X̂(φ1)、X̂(φ2)、X̂(φ3)）。
• 通过压电换能器上的正弦调制与数字反馈回路（PLLs）实现相位锁定，以稳定本地振荡器与OPA2泵浦光的相对相位。
• 系统在暗纹工作以最大化量子干涉相消，最小化所有正交相位角的噪声，从而实现同步信噪比提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用量子纠缠同时提升多个非对易可观测量的测量灵敏度，使其超越标准量子极限？
• RQ2 SU(1,1)干涉仪架构如何实现对多个正交相位同时的噪声抵消与信号放大？
• RQ3 与经典及传统量子方法相比，该方案在联合测量相位与振幅调制时，可实现的信噪比提升幅度是多少？
• RQ4 该方案能否推广至任意数量非对易正交相位振幅的联合测量？
• RQ5 在存在实际损耗与探测效率不足的条件下，SU(1,1)干涉仪的性能与基于经典分束器和放大器的方案相比如何？

主要发现

• SU(1,1)干涉仪在相位与振幅调制中均实现了相对于标准量子极限20%的信噪比（SNR）提升，且所有被测可观测量的灵敏度同步增强。
• SU(1,1)方案的信噪比按(G₁ + g₁)²倍于经典信噪比的尺度增长，其中G₁与g₁分别为第一个OPA的增益与噪声参数，从而实现显著的灵敏度提升。
• 在公平比较下，该方案优于经典分束器与放大器方案，后者因未使用端口的真空噪声而遭受3 dB的信噪比损失。
• 通过数字反馈回路对本地振荡器与OPA2泵浦光进行相位锁定，实现了在不同相位角下对多个正交振幅的稳定、高保真测量。
• 通过分束信号输出并增加额外的本振下混频探测器，该方法可推广至任意数量非对易可观测量的联合测量。
• 实验结果验证了理论预测：在幅度（X̂）与相位（Ŷ）调制中，SU(1,1)方案的信噪比均高于经典方案，频域中分别在0.8 MHz（AM）与1.2 MHz（PM）处观测到可测量的信噪比峰值。