[论文解读] Spectrally resolved NOON state interference

Rui‐Bo Jin, Ryōsuke Shimizu+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2021

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用 4

一句话总结

本论文首次实验观测到光谱分辨的NOON态干涉（NOON-SI），在频率与时间域同时测量联合光谱强度（JSI）。与传统时间域测量中损失光谱信息不同，作者表明干涉条纹在频率域依然存在，尤其在非零时延下，其费舍尔信息更高，相位估计算法精度超越标准NOON-SI极限。

ABSTRACT

NOON state interference (NOON-SI) is a powerful tool to improve the phase sensing precision, and plays an important role in quantum measurement. In most of the previous NOON-SI experiments, the measurements were performed in time domain where the spectral information of the involved photons was integrated and lost during the measurement. In this work, we experimentally measured the joint spectral intensities (JSIs) at different positions of the interference patterns in both time and frequency domains. It was observed that the JSIs were phase-dependent and show odd (even)-number patterns at $0$ ($π$) phase shift; while no interference appeared in time domain measurement, the interference pattern clearly appeared in frequency domain. To our best knowledge, the latter is the first observation of the spectrally resolved NOON state interference, which provides alternative information that cannot be extracted from the time-domain measurement. To explore its potential applications, we considered the interferometric sensing with our setup. From the Fisher information-based analysis, we show that the spectrally resolved NOON-SI has a better performance at non-zero-delay position than its non-spectrally resolved counterpart. The spectrally resolved NOON-SI scheme may be useful for quantum metrology applications such as quantum phase sensing, quantum spectroscopy, and remote synchronization.

研究动机与目标

• 克服传统NOON-SI实验在时间域测量中积分光谱信息的局限性。
• 通过在时间域与频率域同时测量联合光谱强度（JSI），探索光谱关联在NOON态干涉中的作用。
• 评估光谱分辨探测相较于非光谱分辨NOON-SI是否能提升相位传感性能。
• 探究光谱分辨NOON-SI在量子计量学、光谱学及远程同步中的潜力。

提出的方法

• 利用波长为1584 nm的II型自发参量下转换（SPDC）光源生成偏振纠缠的NOON态。
• 采用双光谱仪实现二维光谱测量技术，以分辨信号光子与闲置光子的联合光谱强度（JSI）。
• 通过压电执行器（PZT）扫描两路径间的相对时延，并记录时间与频率域的符合计数。
• 应用Gerrits等人（2015）提出的光谱关联测量技术，实现高光谱分辨率与快速采集。
• 理论建模采用联合光谱振幅 $ f(\omega_s, \omega_i) $，计算光谱分辨（SR）与非光谱分辨（NSR）情况下的费舍尔信息。
• 费舍尔信息通过公式 $ F_{SR}(\tau) = \int\!\!\!\int |f(\omega_s, \omega_i)|^2 (\omega_s + \omega_i)^2 d\omega_s d\omega_i $ 计算，实现与时间域可见度的对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当干涉条纹在时间域消失时，NOON态干涉的干涉条纹是否仍可在频率域观测到？
• RQ2 在NOON-SI中，纠缠光子的光谱关联（JSI）如何随相位延迟演化？
• RQ3 光谱分辨探测是否提供比传统时间域探测更高的费舍尔信息用于相位估计算法？
• RQ4 光谱分辨NOON-SI在广泛时延范围内估计相位或时延时，其性能优势为何？
• RQ5 NOON-SI中JSI的相位依赖结构与HOM干涉中相位无关的JSI结构有何不同？

主要发现

• 在频率域中清晰观测到干涉条纹，而在10 ps时延下时间域中无任何干涉可见，此时可见度降至0%。
• 联合光谱强度（JSI）在0相位偏移时呈现奇数模式，在π相位偏移时呈现偶数模式，表明其具有相位依赖的光谱结构。
• 在非零时延下，光谱分辨费舍尔信息（$ F_{SR} $）达到最大值并保持高位，优于非光谱分辨版本（$ F_{NSR} $），后者随时延增加而退化。
• 理论分析证实，$ F_{SR} $ 在所有时延下均达到最大可能费舍尔信息，而 $ F_{NSR} $ 在偏离干涉中心时逐渐减弱。
• NOON-SI中的光谱关联结构在 $ \omega_s $-$ \omega_i $ 平面沿反对角线分裂，与HOM干涉中因和频与差频干涉导致的对角线分裂形成对比。
• 双光谱仪提供的二维光谱分辨率揭示了以往无法获取的光谱信息，表明其在量子计量学与光谱学中实现更高精度参数估计算法方面具有潜力。