論文の概要: Optimal quantum metrology for two-photon absorption
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.12555v1
- Date: Tue, 21 Nov 2023 12:07:41 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-11-23 00:53:35.615464
- Title: Optimal quantum metrology for two-photon absorption
- Title（参考訳）: 2光子吸収の最適量子メソロジー
- Authors: Athena Karsa, Ranjith Nair, Andy Chia, Kwang-Geol Lee and Changhyoup
Lee
- Abstract要約: 2光子吸収(TPA)は、分光から超高分解能イメージングへの幅広い応用を持つ非線形光学過程である。
量子フィッシャー情報(QFI)を用いたTPAパラメータ推定の高速化を目的とした単一モード量子光の可能性について検討する。
2mathbbN$ における固定平均エネルギー $barn に対して、フォック状態は大きな TPA パラメータに対して最適であることが示され、一方真空と特定のフォック状態の重畳は全ての$barn$ に対する小さな吸収に最適である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Two-photon absorption (TPA) is a nonlinear optical process with wide-ranging
applications from spectroscopy to super-resolution imaging. Despite this, the
precise measurement and characterisation of TPA parameters are challenging due
to their inherently weak nature. We study the potential of single-mode quantum
light to enhance TPA parameter estimation through the quantum Fisher
information (QFI). Discrete variable (DV) quantum states (defined to be a
finite superposition of Fock states) are optimised to maximise the QFI for
given absorption, revealing a quantum advantage compared to both the coherent
state (classical) benchmark and the single-mode squeezed vacuum state. For
fixed average energy $\bar{n} \in 2\mathbb{N}$, the Fock state is shown to be
optimal for large TPA parameters, while a superposition of vacuum and a
particular Fock state is optimal for small absorption for all $\bar{n}$. This
differs from single-photon absorption where the Fock state is always optimal.
Notably, photon counting is demonstrated to offer optimal or nearly optimal
performance compared to the QFI bound for all levels of TPA parameters for the
optimised quantum probes. Our findings provide insight into known limiting
behaviours of Gaussian probes and their different Fisher information (FI)
scalings under photon counting ($\propto \bar{n}^2$ for squeezed vacuum states
versus $\bar{n}^3$ for coherent states). The squeezed state outperforms
coherent states for small TPA parameters but underperforms in the intermediate
regime, becoming comparable in the large absorption limit. This can be
explained through fundamental differences between behaviours of even and odd
number Fock states: the former's QFI diverges in both large and small
absorption limits, while the latter diverges only in the small absorption
limit, dominating at intermediate scales.
- Abstract（参考訳）: 2光子吸収(TPA)は、分光から超高分解能イメージングへの幅広い応用を持つ非線形光学過程である。
それにもかかわらず、TPAパラメータの正確な測定と特性化は、本質的に弱い性質のため困難である。
本稿では,量子フィッシャー情報(QFI)によるTPAパラメータ推定を向上するために,単一モード量子光の可能性について検討する。
離散変数(DV)量子状態(フォック状態の有限重ね合わせとして定義される)は、与えられた吸収に対してQFIを最大化するために最適化され、コヒーレントな状態(古典的)ベンチマークと単一モード圧縮真空状態の両方と比較して量子的優位性を示す。
固定平均エネルギー $\bar{n} \in 2\mathbb{N}$ に対して、フォック状態は大きな TPA パラメータに対して最適であることが示され、一方真空と特定のフォック状態の重ね合わせはすべての$\bar{n}$ に対して小さな吸収に最適である。
これはフォック状態が常に最適である単光子吸収とは異なる。
特に、光子計数法は、最適化された量子プローブのTPAパラメータの全てのレベルに対するQFIバウンドと比較すると、最適またはほぼ最適であることを示す。
以上の知見は, ガウス型プローブの既知の制限挙動と, 光子計数(圧縮真空状態は\propto \bar{n}^2$, コヒーレント状態は$\bar{n}^3$)下での異なるフィッシャー情報(fi)のスケーリングに関する知見を与える。
圧縮状態は、小さなtpaパラメータのコヒーレント状態よりも優れるが、中間状態のコヒーレント状態を上回っており、大きな吸収限界に匹敵する。
前者のQFIは大きな吸収限界と小さな吸収限界の両方で分岐し、後者は小さな吸収限界でのみ分岐し、中間スケールで支配する。
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