Quantum metrology using tailored non-classical states
- verfasst von
- Jonas Junker
- betreut von
- Michele Heurs
- Abstract
Gequetschtes Licht spielt eine wichtige Rolle für Gravitationswellendetektoren oder Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie. Diese Quantenzustände werden je nach Anwendung speziell präpariert. Für einige Anwendungen ist beispielsweise die Quetschung in einer, für andere nur in der Kombination zweier verschiedener optischer Moden erforderlich. Außerdem kann die Quetschung für alle Frequenzen konstant oder frequenzabhängig auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit werden neuartige quantenoptische Methoden entwickelt, die unterschiedlich angepasste nicht-klassische Lichtquellen verwenden. Die einzelnen gequetschten Zustände werden anwendungsbezogen erzeugt, stabilisiert und charakterisiert. In der Spektroskopie ist die Messempfindlichkeit oft durch technisches Rauschen bei niedrigen Frequenzen limitiert. Die erste Publikation zeigt die Messung von kleinen, niederfrequenten Phasensignalen, ohne die Leistung des Lasers zu erhöhen. Unser phasenmoduliertes Lichtfeld verschiebt das Signal zu hohen Messfrequenzen und umgeht daher technisches Rauschen. Weil wir zusätzlich mit gequetschtem Licht arbeiten, kann dort auch Quantenrauschen um 6 dB verringert werden. Unsere Messmethode zeigt die Detektion von Signalen, die bei 100 Hz und 20 kHz oszillieren. Die Messgenauigkeit von optomechanischen Sensoren wie zum Gravitationswellendetektoren ist fundamental begrenzt durch eine Kombination aus quantenmechanischem Schrot- und Strahlungsdruckrauschen. Ein Zustand mit konstanter Quetschquadratur, der von einem resonanten optisch parametrischen Oszillator (OPO) erzeugt wird, wirkt nur gegen einen dieser beiden Rauschbeiträge. Um beide Beiträge zu unterdrücken, ist ein besonderer frequenzabhängiger gequetschter Zustand erforderlich. Unsere zweite Publikation zeigt, dass ein von der Resonanzfrequenz verstimmter OPO frequenzabhängiges gequetschtes Licht erzeugt. Er kann annähernd als effektiver negativer Massen-Oszillator verwendet werden, um Quantenrauschen kohärent zu unterdrücken. Der von uns erzeugte Zustand, der durch Quantentomographie rekonstruiert wird und über Megahertz-Frequenzen rotiert, weist einen Rotationswinkel von 39° und eine maximale Quetschung von 5.5 dB auf. Gequetschte Quantenzustände mit zwei Moden werden für moderne Anwendungen wie die Quanteninformationstechnologie benötigt. In der dritten Publikation befassen wir uns mit der Aufgabe, die zehn unabhängigen Einträge der Kovarianzmatrix eines um 7 dB gequetschten Zweimodenzustands zu bestimmen. Damit ist der Quantenzustand vollständig charakterisiert. Wir zeigen eine vollständige Rekonstruktion eines zweimodigen gequetschten Zustands unter Verwendung eines einzigen olarisationsempfindlichen Homodyn-Detektors, der zusätzliche Optiken und potenzielle Verlustkanäle vermeidet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind relevant für Experimente in der Quantenmetrologie, z.B. in der Spektroskopie oder bei Gravitationswellendetektoren, die mit Sensitivitäten am Standardquantenlimit arbeiten. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Erzeugung und Handhabung nicht-klassischer Zustände ermöglichen Fortschritte in der uanteninformationstechnologie.
- Organisationseinheit(en)
-
Institut für Gravitationsphysik
QUEST Leibniz Forschungsschule
- Typ
- Dissertation
- Anzahl der Seiten
- 153
- Publikationsdatum
- 2023
- Publikationsstatus
- Veröffentlicht
- Elektronische Version(en)
-
https://doi.org/10.15488/13411 (Zugang:
Offen)
