論文の概要: Time-domain field correlation measurements enable tomography of highly multimode quantum states of light

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.10483v1
• Date: Thu, 12 Jun 2025 08:35:36 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-13 15:37:22.651037
• Title: Time-domain field correlation measurements enable tomography of highly multimode quantum states of light
• Title（参考訳）: 光の多モード量子状態のトモグラフィーを可能にする時間領域場相関測定
• Authors: Emanuel Hubenschmid, Guido Burkard,
• Abstract要約: 時間領域の二次相関測定に基づくトモグラフィー手法を提案する。 再建可能なモードの数は、使用した時間遅れの数に応じて増加することを示す。 検出中の量子状態の熱化が相関測定の要求にどのように結びつくかを示す。
• 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: Recent progress in ultrafast optics facilitates the investigation of the dynamics of highly multimode quantum states of light, as demonstrated by the application of electro-optic sampling to quantum states of the electromagnetic field. Yet, the complete tomographic reconstruction of optical quantum states with prior unknown statistics and dynamics is still challenging, since state-of-the-art tomographic methods require the measurement of many orthogonal, distinguishable modes. Here, we propose a tomography scheme based on time-domain quadrature correlation measurements and theoretically demonstrate its ability to reconstruct highly multimode Gaussian states. In contrast to (eight-port) homodyne detection, the two local oscillator pulses are shorter in time and are (independently) time-delayed against the pulsed quantum state. The distinguishable mode structure is obtained in post-processing from the correlation measurement data by orthogonalization. We show that the number of reconstructable modes increases with the number of time delays used and decreases with the temporal extent of the local oscillator. We extend and optimise our proposed correlation measurement to electro-optic sampling by adding a nonlinear crystal prior to the homodyne detection, potentially achieving subcycle resolution in the mid-infrared to THz regime. By analysing the (quantum) correlations present in the measurement data, we show how thermalisation of the quantum state during detection leads to the requirement of correlation measurements. The thermalisation is especially pronounced in the strong squeezing limit, for which we developed a non-perturbative theory. Furthermore, we open an avenue to extending our tomography scheme to non-Gaussian states by theoretically establishing the complete measurement statistics and showing how to obtain spectral information about pulsed Fock states from the joint statistics.
• Abstract（参考訳）: 超高速光の最近の進歩は、電磁光学サンプリングの電磁場の量子状態への応用によって示されるように、光の多モード量子状態のダイナミクスの研究を促進する。 しかし、現在のトモグラフィ法では、多くの直交的、識別可能なモードを計測する必要があるため、それまでの未知の統計と力学による光量子状態の完全なトモグラフィー再構成は依然として困難である。 本稿では,時間領域の二次相関測定に基づくトモグラフィー手法を提案する。 8ポートのホモダイン検出とは対照的に、2つの局所発振器パルスは時間的に短く、パルス量子状態に対して(独立に)時間遅延する。 相関測定データから直交化による後処理において、識別可能なモード構造を得る。 再建可能なモードの数は使用した時間遅延の数とともに増加し、局所発振器の時間的範囲で減少することを示す。 我々は、ホモダイン検出に先立って非線形結晶を添加することにより、提案した相関測定を電気光学サンプリングに拡張し、最適化し、中赤外から THz 状態におけるサブサイクル分解能を達成する可能性がある。 測定データに存在する(量子)相関を解析することにより、検出中の量子状態の熱化が相関測定の要求にどう影響するかを示す。 熱化は特に強いスクイーズ限界で顕著であり、非摂動理論を開発した。 さらに、理論的に完全な測定統計を確立し、共同統計からパルスフォック状態のスペクトル情報を得る方法を示すことにより、トモグラフィースキームを非ガウス状態にまで拡張する道を開く。

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