論文の概要: Analytical results for laser models producing a beam with sub-Poissonian photon statistics and coherence scaling as the Heisenberg limit
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.16883v1
- Date: Mon, 24 Feb 2025 06:29:40 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-25 15:53:40.052077
- Title: Analytical results for laser models producing a beam with sub-Poissonian photon statistics and coherence scaling as the Heisenberg limit
- Title（参考訳）: 半ポアソン光子統計とコヒーレンススケーリングを持つビームをハイゼンベルク極限として生成するレーザーモデルの解析結果
- Authors: Lucas A. Ostrowski, Travis J. Baker, Dominic W. Berry, Howard M. Wiseman,
- Abstract要約: それぞれのレーザーシステムの力学を特徴付け、標準レーザー理論からの直観のいくつかをここで適用することができる。
しかし、通常のレーザーとは異なり、ハイゼンベルク制限レーザーのアンサンブルを構成する純粋な状態は実質的に位相圧縮されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: Recent advances in laser theory have demonstrated that a quantum enhancement is possible for the production of coherence $\mathfrak{C}$ by a continuous-wave laser device. Curiously, natural families of laser models that achieve Heisenberg-limited scaling for coherence produce the most coherence when the beam exhibits sub-Poissonian photon statistics. In this work, we provide an analytical treatment of those novel families of laser models by specializing to a parameter regime that permits a linearization. We characterize the dynamics of each laser system, and find that some of the intuitions from standard laser theory may be applied here. Specifically, the intracavity number dynamics are well-described as an Ornstein-Uhlenbeck process, while the intracavity phase dynamics are well-described in terms of a physically realizable ensemble of pure states, which evolve according to pure phase diffusion. Unlike a standard laser, however, we find that the pure states comprising the ensemble in the Heisenberg-limited lasers are substantially phase squeezed. From our dynamical analysis, we deduce various quantities of the beam for each laser family, including the first- and second-order Glauber coherence functions, intensity noise spectrum, Mandel-Q parameter and coherence $\mathfrak{C}$. In addition, inspired from these phase diffusion dynamics, we derive an upper bound on laser coherence $\mathfrak{C} \lesssim 1.1156 \mu^4$ -- which is tighter by a factor of $3/8$ when compared to that derived in [Baker et al., Nat. Phys. 17 179 (2021)] -- by making one of the assumptions of that paper slightly stronger.
- Abstract（参考訳）: レーザー理論の最近の進歩は、連続波レーザー装置によるコヒーレンス$\mathfrak{C}$の生成に量子増強が可能であることを示した。
驚くべきことに、コヒーレンスのためにハイゼンベルクに制限されたスケーリングを実現するレーザーモデルの自然なファミリーは、ビームがポアソニアン以下の光子統計を示すときに最もコヒーレンスを生み出す。
本研究では, 線形化を許すパラメータ構造に特化して, レーザーモデルの新規なファミリーを解析的に扱う。
それぞれのレーザーシステムの力学を特徴付け、標準レーザー理論からの直観のいくつかをここで適用することができる。
具体的には、キャビティ内数ダイナミクスはオルンシュタイン-ウレンベック過程としてよく記述され、一方、キャビティ内位相ダイナミクスは純粋相拡散に従って進化する純粋状態の物理的に実現可能なアンサンブルの言葉でうまく記述されている。
しかし、通常のレーザーとは異なり、ハイゼンベルク制限レーザーのアンサンブルを構成する純粋な状態は実質的に位相圧縮されている。
動的解析から,1次および2次グラウバーコヒーレンス関数,強度雑音スペクトル,マンデルQパラメータ,コヒーレンス$\mathfrak{C}$など,各レーザー系に対するビームの様々な量の推定を行った。
さらに、これらの位相拡散力学からインスピレーションを得て、レーザーコヒーレンス$\mathfrak{C} \lesssim 1.1156 \mu^4$ -- の上界を導出した。
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