[论文解读] Quantum Enhanced Measurement of an Optical Frequency Comb

Yin Cai, Jonathan Roslund+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 9被引用 5

一句话总结

本论文通过多像素光谱分辨（MPSR）探测器与多模压缩光，实现了对光学频率梳参数（平均能量与中心频率）的单次、同步、多参数估计，其精度超越标准量子极限。通过利用量子频率梳中的厄米-高斯光谱模式，两项参数的信噪比分别超出散粒噪声极限19%和15%，且无需改变光学系统配置。

ABSTRACT

Measuring the spectral properties of an optical frequency comb is among the most fundamental tasks of precision metrology. In contrast to general single-parameter measurement schemes, we demonstrate here single shot multiparameter estimation at and beyond the standard quantum limit. The mean energy and the central frequency of ultrafast pulses are simultaneously determined with a multi-pixel-spectrally-resolved (MPSR) apparatus, without changing the photonics architecture. Moreover, using a quantum frequency comb that consists of multiple squeezed states in a family of Hermite-Gaussian spectral/temporal modes, the signal-to-noise ratios of the mean energy and the central frequency measurements surpass the shot-noise limit by around 19% and 15%, respectively. Combining our multi-pixel detection scheme and the intrinsic multimode quantum resource could find applications in ultrafast quantum metrology and multimode quantum information processing.

研究动机与目标

• 实现对光学频率梳多个光谱参数的单次测量中同步、高精度估计。
• 克服传统单参数、散粒噪声极限测量在超快光学生系统中的局限性。
• 展示利用内在多模量子资源实现多参数估计的量子增强灵敏度。
• 开发一种保持架构不变的灵活量子增强型频率梳表征方法。

提出的方法

• 采用带有微透镜阵列的多像素光谱分辨（MPSR）探测器，实现对频率梳不同光谱分量在单次测量中的空间分离与检测。
• 系统采用平衡外差探测，利用光谱分散的本振光，测量多个频带中振幅与相位正交分量的相关性。
• 自制的多像素探测装置具有80%的探测效率与10 MHz带宽，可同时测量所有光谱通道。
• 通过公式 ⟨ô_i ô_j⟩ = ⟨Î⁻_i Î⁻_j⟩ / (4|α_i|²|α_j|²) 从测得的正交分量相关性重构出多模高斯态的完整协方差矩阵。
• 通过同步泵浦光学参量振荡器（SPOPO）产生的压缩真空态提供多模量子资源，其中第一和第二压缩模分别近似对应平均场模与导数模。
• 将信号光与本振光之间的相对相位锁定在0和π/2，以测量振幅与相位正交分量的相关性，用于协方差矩阵重构。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在单次测量中同步估计光学频率梳的多个正交参数？
• RQ2 量子增强灵敏度在多大程度上可使平均能量与中心频率测量的信噪比超越散粒噪声极限？
• RQ3 能否有效利用厄米-高斯光谱模式中的多模压缩态来增强超快计量中的多参数估计？
• RQ4 是否可能在不修改现有光子学架构的前提下实现量子增强性能？

主要发现

• 利用多模压缩光，平均能量估计的信噪比（SNR）较散粒噪声极限提升约19%。
• 通过利用量子资源，中心频率估计的SNR较散粒噪声极限提升约15%。
• 成功从多个像素上同时进行的光谱分辨外差测量中，重构出量子频率梳的完整协方差矩阵。
• SPOPO输出的第一和第二压缩模分别与平均场模和导数模高度近似，从而实现最优参数估计。
• MPSR探测方案可在不改变光学系统配置的前提下，实现多个参数的并行、单次测量估计。
• 系统实现94%的外差可见度与累计25%的损耗，虽限制了测量到的压缩程度，但仍实现了显著的量子增强效果。