[论文解读] Quantum Entangled Interferometers

Z. Y. Ou, Xiaoying Li|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 113被引用 9

一句话总结

本文提出了一类基于SU(1,1)对称性的量子纠缠干涉仪，用参量放大器替代传统光束分离器以生成量子纠缠，从而实现超越标准量子极限的相位测量灵敏度。通过利用量子关联噪声的相消抵消，这些干涉仪提升了信噪比，并在低光子数区域的量子计量学中优于经典干涉仪。

ABSTRACT

A new type of quantum entangled interferometer was recently realized that employs parametric amplifiers as the wave splitting and recombination elements. The quantum entanglement stems from the parametric amplifiers, which produce quantum correlated fields for probing the phase change signal in the interferometer. This type of quantum entangled interferometer exhibits some unique properties that are different from traditional beam splitter-based interferometers such as Mach-Zehnder interferometers. Because of these properties, it is superior to the traditional interferometers in many aspects, especially in the phase measurement sensitivity. We will review its unique properties and applications in quantum metrology and sensing, quantum information, and quantum state engineering.

研究动机与目标

• 开发一类基于参量放大器而非线性光束分离器的新一代量子干涉仪。
• 通过利用参量过程产生的量子纠缠，突破相位测量中的标准量子极限（SQL）。
• 展示相较于传统干涉仪，其在损耗情况下的更高灵敏度与更强鲁棒性。
• 探索利用纠缠场在量子计量学、量子信息与量子态工程中的应用。
• 澄清早期SU(1,1)干涉仪设计中的误解，并通过更深入理解非线性元件的作用，优化系统性能。

提出的方法

• 在马赫-曾德尔干涉仪中，用非线性参量放大器（PAs）替代线性光束分离器，以实现波混合中的SU(1,1)对称性。
• 利用参量放大在输出场之间生成连续变量纠缠，形成量子关联的探测与参考光束。
• 通过未关联真空噪声的相消干涉，实现测量噪声的抵消，同时放大信号。
• 采用相干态与压缩态的双重注入，以提升信噪比并减轻饱和效应。
• 使用非对易哈密顿量对多级参量放大器进行建模，以分析高增益区域的系统行为。
• 分析内部与外部损耗对灵敏度的影响，特别是内部损耗引入的未关联真空噪声如何降低性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在干涉仪中用参量放大器替代光束分离器，如何实现相位测量灵敏度超越标准量子极限？
• RQ2 通过参量过程生成的量子纠缠在无额外噪声情况下的噪声抵消与信号放大中起什么作用？
• RQ3 参量放大器中的内部损耗如何影响达到海森堡极限相位灵敏度的能力？
• RQ4 SU(1,1)干涉仪是否可被适配用于测量引力或旋转等物理量，特别是在使用物质波或不同波型时？
• RQ5 在实际高光子数应用中，最大化灵敏度的最优工作点与配置是什么？

主要发现

• SU(1,1)干涉仪通过利用参量放大器生成的量子纠缠，实现了超越标准量子极限的相位测量灵敏度。
• 由于量子关联噪声的抵消，干涉仪对探测效率不足和外部损耗具有免疫性；然而，内部损耗会通过引入未关联真空噪声而降低性能。
• 高增益参量放大产生EPR型纠缠，为实现完整的量子态 teleportation 与海森堡极限传感提供了潜在应用。
• 由于各参量放大器的哈密顿量非对易，对高增益多级SU(1,1)干涉仪进行理论建模仍面临挑战。
• 相干态与压缩态的双重注入可提升实际实现中的性能，并减轻饱和效应。
• 该框架可扩展至非光学波，如原子 de Broglie 波或声子，从而实现全物质波SU(1,1)干涉仪，用于引力传感。