Quantum advantage of time-reversed ancilla-based metrology of absorption parameters
- 1. Texas A&M University
- 2. Universidade Federal do Rio de Janeiro
Description
Quantum estimation of parameters defining open-system dynamics may be enhanced by using ancillas that are entangled with the probe but are not submitted to the dynamics. Here we consider the important problem of estimation of transmission of light by a sample, with losses due to absorption and scattering. We show, through the determination of the quantum Fisher information, that the ancilla strategy leads to the best possible precision in single-mode estimation---the one obtained for a Fock-state input---through joint photon counting of probe and ancilla, which are modes of a bimodal squeezed state produced by an optical parametric amplifier. This proposal overcomes the challenge of producing and detecting high-photon-number Fock states, and it is quite robust in the presence of additional noise: We show that it is immune to phase noise and the precision does not change if the incoming state gets disentangled. Furthermore, the quantum gain is still present under moderate photon losses of the input beams. We also discuss an alternative to joint photon counting, which is readily implementable with present technology and approaches the quantum Fisher information result for weak absorption, even with moderate photon losses of the input beams before the sample is probed: a time-reversal procedure, placing the sample between two optical parametric amplifiers, with the second undoing the squeezing produced by the first one. The precision of estimation of the loss parameter is obtained from the average outgoing total photon number and its variance. In both procedures, the state of the probe and the detection procedure are independent of the value of the parameter.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يمكن تعزيز التقدير الكمومي للمعلمات التي تحدد ديناميكيات النظام المفتوح باستخدام الملحقات المتشابكة مع المسبار ولكنها لا تخضع للديناميكيات. هنا نعتبر المشكلة المهمة المتمثلة في تقدير انتقال الضوء بواسطة عينة، مع الخسائر الناجمة عن الامتصاص والتشتت. نظهر، من خلال تحديد معلومات فيشر الكمومية، أن استراتيجية الأنيسيلا تؤدي إلى أفضل دقة ممكنة في التقدير أحادي الوضع --- الذي تم الحصول عليه لإدخال حالة فوك --- من خلال عد الفوتونات المشترك للمسبار والأنيسيلا، وهي أوضاع لحالة ضغط ثنائية النمط ينتجها مضخم بارامترية بصري. يتغلب هذا الاقتراح على التحدي المتمثل في إنتاج واكتشاف حالات فوك عالية الفوتون، وهو قوي جدًا في وجود ضوضاء إضافية: نظهر أنه محصن ضد ضوضاء الطور والدقة لا تتغير إذا تم فك تشابك الحالة الواردة. علاوة على ذلك، لا يزال الكسب الكمومي موجودًا تحت خسائر الفوتونات المعتدلة لحزم الإدخال. نناقش أيضًا بديلاً لعد الفوتونات المشترك، والذي يمكن تنفيذه بسهولة باستخدام التكنولوجيا الحالية ويقترب من نتيجة معلومات فيشر الكمومية لضعف الامتصاص، حتى مع فقدان الفوتونات المعتدل لحزم الإدخال قبل فحص العينة: إجراء عكس الوقت، ووضع العينة بين مضخمين بارامتريين بصريين، مع إلغاء الثاني للضغط الناتج عن الأول. يتم الحصول على دقة تقدير معامل الفقد من متوسط إجمالي عدد الفوتونات الصادرة وتباينها. في كلا الإجراءين، تكون حالة المجس وإجراء الكشف مستقلين عن قيمة المعلمة.Translated Description (French)
L'estimation quantique des paramètres définissant la dynamique du système ouvert peut être améliorée en utilisant des ancillas qui sont enchevêtrés avec la sonde mais ne sont pas soumis à la dynamique. Nous considérons ici le problème important de l'estimation de la transmission de la lumière par un échantillon, avec des pertes dues à l'absorption et à la diffusion. Nous montrons, à travers la détermination de l'information de Fisher quantique, que la stratégie de l'ancilla conduit à la meilleure précision possible dans l'estimation monomode -- celle obtenue pour une entrée à l'état Fock -- à travers le comptage conjoint des photons de la sonde et de l'ancilla, qui sont des modes d'un état comprimé bimodal produit par un amplificateur paramétrique optique. Cette proposition surmonte le défi de la production et de la détection d'états Fock à nombre de photons élevé, et elle est assez robuste en présence de bruit supplémentaire : nous montrons qu'elle est immunisée contre le bruit de phase et que la précision ne change pas si l'état entrant se démêle. En outre, le gain quantique est toujours présent sous des pertes de photons modérées des faisceaux d'entrée. Nous discutons également d'une alternative au comptage conjoint de photons, qui est facilement réalisable avec la technologie actuelle et se rapproche du résultat d'information de Fisher quantique pour une faible absorption, même avec des pertes de photons modérées des faisceaux d'entrée avant que l'échantillon ne soit sondé : une procédure d'inversion temporelle, plaçant l'échantillon entre deux amplificateurs paramétriques optiques, le second annulant la compression produite par le premier. La précision d'estimation du paramètre de perte est obtenue à partir du nombre total moyen de photons sortants et de sa variance. Dans les deux procédures, l'état de la sonde et la procédure de détection sont indépendants de la valeur du paramètre.Translated Description (Spanish)
La estimación cuántica de los parámetros que definen la dinámica del sistema abierto puede mejorarse mediante el uso de ancillas que se enredan con la sonda pero que no se someten a la dinámica. Aquí consideramos el importante problema de la estimación de la transmisión de luz por una muestra, con pérdidas por absorción y dispersión. Mostramos, a través de la determinación de la información cuántica de Fisher, que la estrategia de ancilla conduce a la mejor precisión posible en la estimación monomodo, la obtenida para una entrada de estado de Fock, a través del conteo conjunto de fotones de sonda y ancilla, que son modos de un estado comprimido bimodal producido por un amplificador paramétrico óptico. Esta propuesta supera el desafío de producir y detectar estados de Fock de alto número de fotones, y es bastante robusta en presencia de ruido adicional: mostramos que es inmune al ruido de fase y la precisión no cambia si el estado entrante se desenreda. Además, la ganancia cuántica todavía está presente bajo pérdidas moderadas de fotones de los haces de entrada. También discutimos una alternativa al conteo de fotones conjuntos, que es fácilmente implementable con la tecnología actual y se acerca al resultado de la información cuántica de Fisher para una absorción débil, incluso con pérdidas moderadas de fotones de los haces de entrada antes de sondear la muestra: un procedimiento de inversión de tiempo, colocando la muestra entre dos amplificadores paramétricos ópticos, con el segundo deshaciendo la compresión producida por el primero. La precisión de estimación del parámetro de pérdida se obtiene a partir del promedio del número total de fotones salientes y su varianza. En ambos procedimientos, el estado de la sonda y el procedimiento de detección son independientes del valor del parámetro.Files
PhysRevResearch.6.013034.pdf
Files
(911.9 kB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:ad54be65b59ee5a7740b75e3c3d1586b
|
911.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الميزة الكمية للمقاييس القائمة على الأسلاف المعكوسة زمنياً لمعلمات الامتصاص
- Translated title (French)
- Avantage quantique de la métrologie des paramètres d'absorption basée sur l'ancilla inversée dans le temps
- Translated title (Spanish)
- Ventaja cuántica de la metrología basada en ancilla invertida en el tiempo de los parámetros de absorción
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4390707682
- DOI
- 10.1103/physrevresearch.6.013034
References
- https://openalex.org/W1430512513
- https://openalex.org/W1972783343
- https://openalex.org/W1977733098
- https://openalex.org/W1978624511
- https://openalex.org/W1981983416
- https://openalex.org/W1983173896
- https://openalex.org/W1983447989
- https://openalex.org/W1985596398
- https://openalex.org/W1991315745
- https://openalex.org/W1993122650
- https://openalex.org/W1993488859
- https://openalex.org/W1999509003
- https://openalex.org/W2007948277
- https://openalex.org/W2016932851
- https://openalex.org/W2017028422
- https://openalex.org/W2025595271
- https://openalex.org/W2026117223
- https://openalex.org/W2026337802
- https://openalex.org/W2026522229
- https://openalex.org/W2030239805
- https://openalex.org/W2032966202
- https://openalex.org/W2033666272
- https://openalex.org/W2034913416
- https://openalex.org/W2057453482
- https://openalex.org/W2059207587
- https://openalex.org/W2061849917
- https://openalex.org/W2063043900
- https://openalex.org/W2065561005
- https://openalex.org/W2070320789
- https://openalex.org/W2083423624
- https://openalex.org/W2085511551
- https://openalex.org/W2086236885
- https://openalex.org/W2108043809
- https://openalex.org/W2108491246
- https://openalex.org/W2115851312
- https://openalex.org/W2120008439
- https://openalex.org/W2124596515
- https://openalex.org/W2125303188
- https://openalex.org/W2133551227
- https://openalex.org/W2137057431
- https://openalex.org/W2138966110
- https://openalex.org/W2151997727
- https://openalex.org/W2157025927
- https://openalex.org/W2160327031
- https://openalex.org/W2272790570
- https://openalex.org/W2282219120
- https://openalex.org/W2297288332
- https://openalex.org/W2303896580
- https://openalex.org/W2319512290
- https://openalex.org/W2326900912
- https://openalex.org/W2340601759
- https://openalex.org/W2396710644
- https://openalex.org/W2404281560
- https://openalex.org/W2415544653
- https://openalex.org/W2466074349
- https://openalex.org/W2491910786
- https://openalex.org/W2540066868
- https://openalex.org/W2550448660
- https://openalex.org/W2613428129
- https://openalex.org/W2746070828
- https://openalex.org/W2754376969
- https://openalex.org/W2769763683
- https://openalex.org/W2795736778
- https://openalex.org/W2889968888
- https://openalex.org/W2901330499
- https://openalex.org/W2902454539
- https://openalex.org/W2903989318
- https://openalex.org/W2962766821
- https://openalex.org/W2962961223
- https://openalex.org/W2963160845
- https://openalex.org/W3037447387
- https://openalex.org/W3099031960
- https://openalex.org/W3099290264
- https://openalex.org/W3099388066
- https://openalex.org/W3100022713
- https://openalex.org/W3100038074
- https://openalex.org/W3100351581
- https://openalex.org/W3100495872
- https://openalex.org/W3102193889
- https://openalex.org/W3103949820
- https://openalex.org/W3105103737
- https://openalex.org/W3105254144
- https://openalex.org/W3110471435
- https://openalex.org/W3133265479
- https://openalex.org/W3134625415
- https://openalex.org/W3136334502
- https://openalex.org/W3143400115
- https://openalex.org/W3152929187
- https://openalex.org/W3166117514
- https://openalex.org/W3168227099
- https://openalex.org/W3175446831
- https://openalex.org/W3195841939
- https://openalex.org/W3198191909
- https://openalex.org/W3199119572
- https://openalex.org/W3215597002
- https://openalex.org/W4206028667
- https://openalex.org/W4210893077
- https://openalex.org/W4212980693
- https://openalex.org/W4213010690
- https://openalex.org/W4213432262
- https://openalex.org/W4226189177
- https://openalex.org/W4230965853
- https://openalex.org/W4320724871
- https://openalex.org/W4365800069
- https://openalex.org/W4385268626