論文の概要: Single-port homodyne detection achieves optimal multiphase sensing in an $n$-port ring cavity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2611.02754v1
• Date: Mon, 02 Nov 2026 08:38:56 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-11-11 09:45:37.508379
• Title: Single-port homodyne detection achieves optimal multiphase sensing in an $n$-port ring cavity
• Title（参考訳）: シングルポートホモダイン検出は$n$ポートリングキャビティにおける最適多相検出を実現する
• Abstract要約: 固定エネルギー多モードコヒーレント状態によるリングキャビティの内部位相の同時推定について検討した。 本研究は, 最適なマルチフェーズセンシングのためのプラットフォームとして, リングキャビティを確立した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.7553056259859602
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Estimating several phases simultaneously is more than estimating them one at a time: the optimal measurements for different parameters may not commute, and in a multiparameter problem the quantum Cramér-Rao bound is not automatically achievable. Ring cavities are a natural setting for this question, since a single coherent input can be made to interact repeatedly with every internal phase before it is read out. We study the simultaneous local estimation of the $n$ internal phases of a lossless $n$-port ring cavity probed by a fixed-energy multimode coherent state, optimizing over the full coherent-input space and over the operating point of the cavity. We identify a necessary and sufficient condition for the global optimum: the input energy should be distributed equally among the ports, and the internal phases and input phases satisfy a simple phase-matching condition for every port. The optimum is unique up to a common optical phase and minimizes both the symmetric logarithmic derivative (SLD) cost and the sloppiness of the model. At this point the quantum Fisher information matrix is full rank and its spectrum is obtained in closed form, the Uhlmann curvature vanishes, and no incompatibility penalty has to be paid. The precision retains the coherent-state scaling and the dependence on the number of phases, but the cavity feedback reduces the prefactor relative to $n$ independent single-pass experiments. Finally, we show that this bound may be achieved in practice: the Fisher information of a balanced homodyne measurement at each output port, with local-oscillator phases locked to the prepared input phases is equal to the optimal quantum Fisher information. Our results establish the ring cavity as a platform for optimal multiphase sensing and provide the ultimate benchmark against which nonclassical probes may be evaluated for further precision enhancement.
• Abstract（参考訳）: 異なるパラメータの最適測定は可換ではないかもしれないし、マルチパラメータ問題では、量子クラメル・ラオ境界は自動的に達成できない。 リングキャビティは、単一のコヒーレントな入力を、読み出す前にすべての内部位相と繰り返し対話させることができるので、この問題にとって自然な設定である。 固定エネルギー多モードコヒーレント状態によって探索された損失のない$n$ポートリングキャビティの内部位相を同時に推定し,全コヒーレント入力空間とキャビティの動作点を最適化する。 入力エネルギーは各ポート間で等しく分配されるべきであり、内部位相と入力位相は各ポートに対して単純な位相整合条件を満たす。 最適は共通の光学位相まで一意であり、対称対数微分(SLD)コストとモデルの傾斜度の両方を最小化する。 この時点で、量子フィッシャー情報行列は完全ランクであり、そのスペクトルは閉形式で得られ、ウルマン曲率が消え、不相応のペナルティが支払われることはない。 この精度は、コヒーレント状態のスケーリングと位相数への依存を維持するが、空洞フィードバックは、$n$独立シングルパス実験と比較してプレファクターを減少させる。 最後に, 各出力ポートにおける平衡ホモダイン測定のフィッシャー情報, 得られた入力位相にロックされた局所オシレータ位相は, 最適量子フィッシャー情報と等しい。 本研究は, リングキャビティを最適多相検出プラットフォームとして確立し, 非古典的プローブをさらなる精度向上のために評価できる最終的なベンチマークを提供する。

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