論文の概要: Fundamental Sensitivity Bounds for Quantum Enhanced Optical Resonance
Sensors Based on Transmission and Phase Estimation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.07741v1
- Date: Mon, 14 Jun 2021 20:23:12 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-26 17:30:17.765357
- Title: Fundamental Sensitivity Bounds for Quantum Enhanced Optical Resonance
Sensors Based on Transmission and Phase Estimation
- Title（参考訳）: 透過・位相推定に基づく量子高感度光共鳴センサの基本感度境界
- Authors: Mohammadjavad Dowran, Timothy S. Woodworth, Ashok Kumar, and Alberto
M. Marino
- Abstract要約: 本研究では、共振シフトによる興味パラメータの変化を検出する光共鳴センサについて検討する。
そこで本研究では,QCRBとシステム転送機能との相互作用による基本感度について述べる。
また,センサ外部の損失が量子エンハンスメントの程度に及ぼす影響についても検討した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6230648949593154
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum states of light can enable sensing configurations with sensitivities
beyond the shot-noise limit (SNL). In order to better take advantage of
available quantum resources and obtain the maximum possible sensitivity, it is
necessary to determine fundamental sensitivity limits for different possible
configurations for a given sensing system. Here, due to their wide
applicability, we focus on optical resonance sensors, which detect a change in
a parameter of interest through a resonance shift. We compare their fundamental
sensitivity limits set by the quantum Cram\'er-Rao bound (QCRB) based on the
estimation of changes in transmission or phase of a probing bright two-mode
squeezed state (bTMSS) of light. We show that the fundamental sensitivity
results from an interplay between the QCRB and the transfer function of the
system. As a result, for a resonance sensor with a Lorentzian lineshape a
phase-based scheme outperforms a transmission-based one for most of the
parameter space; however, this is not the case for lineshapes with steeper
slopes, such as higher order Butterworth lineshapes. Furthermore, such an
interplay results in conditions under which the phase-based scheme provides a
higher sensitivity than the transmission-based one but a smaller degree of
quantum enhancement. We also study the effect of losses external to the sensor
on the degree of quantum enhancement and show that for certain conditions
probing with a classical state can provide a higher sensitivity than probing
with a bTMSS. Finally, we discuss detection schemes, namely optimized
intensity-difference and optimized homodyne detection, that can achieve the
fundamental sensitivity limits even in the presence of external losses.
- Abstract（参考訳）: 光の量子状態は、ショットノイズ限界(SNL)を超えて感度の高い構成を可能にする。
利用可能な量子リソースをうまく活用し、可能な最大感度を得るためには、与えられたセンシングシステムにおいて、異なる可能な構成に対する基本的な感度限界を決定する必要がある。
ここでは,その広い適用性から,共鳴シフトによる関心パラメータの変化を検出する光共鳴センサに注目する。
光の2モード励起状態(bTMSS)の透過や位相の変化を推定し,量子クラム・ラオ境界(QCRB)によって設定される基本感度限界を比較する。
そこで本研究では,QCRBとシステム転送機能との相互作用による基本感度について述べる。
その結果、ローレンツ線形状の共振センサの場合、位相ベースのスキームは、パラメータ空間のほとんどにおいて伝送系を上回っているが、高次バターワース線のような急勾配のライン形状の場合はそうではない。
さらに、このような相互作用は、位相ベースのスキームが伝送ベースのスキームよりも高い感度を提供するが、量子エンハンスメントの程度は小さい条件で生じる。
また,センサ外部の損失が量子エンハンスメントの程度に及ぼす影響について検討し,古典的状態にある特定の条件において,btmssによる検出よりも高い感度が得られることを示した。
最後に,外部損失があっても基本的な感度限界を達成できる検出手法,すなわち,強度差の最適化とホモダイン検出について論じる。
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