[论文解读] Single-mode nonclassicality measure from Simon-Peres-Horodecki criterion

Mehmet Emre Taşgın|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于两模非分 separability 的 Simon-Peres-Horodecki 准则的新型单模非经典性度量，仅使用期望值 ⟨â²⟩ 和 ⟨ↆâ⟩。该度量对高斯态而言既是必要也是充分条件，随压缩强度增加而增大，并在超辐射相变的临界耦合点处出现跃迁，直接建立了非经典性与量子相变之间的联系。

ABSTRACT

Nonclassicality of a single-mode field is equivalent to the rank of two-mode entanglement this field generates at the output of a beam-splitter [Phys. Rev. A 89, 052302 (2014)]. We derive a measure for the nonclassicality of a single-mode field using the two-mode inseparability measure of Simon-Peres-Horodecki. Degree of the single-mode nonclassicality requires the knowledge of only $\langle \hat{a}^2 angle$ and $\langle\hat{a}^\dagger\hat{a} angle$. This condition/measure is both a necessary and sufficient condition for Gaussian single-mode states. We show that this measure increases with squeezing strength and display a jump at the critical coupling for a superradiant phase transition. Additionally, we derive a simple analytical condition, $|\langle \hat{a}^2 angle|>\langle\hat{a}^\dagger\hat{a} angle$, for nonclassicality from Duan-Giedke-Cirac-Zoller criterion. In a forthcoming study, we use the derived measure to show the following. Non-causal linear optical response of an optomechanical cavity emerges at the same critical cavity-mechanical coupling where output field becomes nonclassical.

研究动机与目标

• 建立一种具有物理意义且可操作的单模非经典性度量，通过分束器变换与两模纠缠建立联系。
• 仅利用二阶矩，推导高斯单模态态非经典性的必要且充分条件。
• 分析非经典性在量子相变临界点附近的特性，特别是超辐射系统中的表现。
• 将非经典输出场的出现与光机械腔中非因果线性光学响应的出现相联系。

提出的方法

• 通过将 Simon-Peres-Horodecki 准则应用于分束器作用于单模输入后产生的两模输出态，推导出单模非经典性度量。
• 将度量表达为仅依赖 ⟨â²⟩ 和 ⟨ↆâ⟩ 的形式，从而可通过二阶场矩实现对非经典性的直接实验探测。
• 利用 Duan-Giedke-Cirac-Zoller 准则，推导出 |⟨â²⟩| > ⟨ↆâ⟩ 作为非经典性的简单解析条件。
• 分析该度量在不同压缩强度下的行为，识别其在超辐射相变临界耦合点处的发散或不连续性。
• 将该度量应用于预测光机械腔中非因果光学响应的出现，将非经典性与量子响应函数相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅利用二阶场矩对单模非经典性进行量化？
• RQ2 单模非经典性与通过分束器生成的两模纠缠之间存在何种关系？
• RQ3 所推导的非经典性度量能否正确识别超辐射相变中的临界耦合点？
• RQ4 非经典输出场的出现是否可与光机械系统中非因果光学响应的出现相联系？

主要发现

• 所提出的非经典性度量对高斯单模态态而言既是必要也是充分条件，且仅依赖 ⟨â²⟩ 和 ⟨ↆâ⟩。
• 该度量随压缩强度单调增加，反映出非经典特征的增强。
• 在超辐射相变的临界耦合点处，该度量出现不连续跃迁，表明量子行为发生质变。
• 通过 Duan-Giedke-Cirac-Zoller 准则，推导出 |⟨â²⟩| > ⟨ↆâ⟩ 作为非经典性的简单解析判据。
• 该度量预测：非因果线性光学响应在光机械腔中恰好于输出场变为非经典时出现。