Tunable passive squeezing of squeezed light through unbalanced double homodyne detection

Résumé technique : Compression passive accordable de la lumière comprimée par détection double homodyne déséquilibrée

Énoncé du problème
La caractérisation complète des états quantiques de la lumière est une tâche centrale en optique quantique. Alors que la détection homodyne standard permet la mesure des quadratures du champ électromagnétique, la reconstruction d'états quantiques complexes (par exemple, via la fonction de Wigner) à partir de mesures de quadrature unique nécessite souvent une acquisition de données extensive et des algorithmes de post-traitement sophistiqués. La détection double homodyne (DHD) offre une alternative plus directe en mesurant simultanément les quadratures orthogonales pour échantillonner la distribution de quasi-probabilité Q de Husimi. Cependant, le paradigme conventionnel traite l'appareil de mesure comme un observateur passif, strictement séparé de la génération et de la manipulation de l'état. Cet article traite du défi consistant à intégrer la manipulation d'état directement dans le processus de mesure pour permettre un traitement « en ligne » sans configurations optiques complexes.

Méthodologie
Les auteurs proposent et réalisent expérimentalement une technique où l'appareil de mesure effectue elle-même une transformation de compression (squeezing) effective sur l'état d'entrée. Le mécanisme central consiste à déséquilibrer intentionnellement le séparateur de faisceau d'entrée ($BS^*$) dans un montage DHD.

• Cadre théorique : Dans une DHD standard, un état de signal $\hat{\rho}_s$ est divisé par un séparateur de faisceau ayant une réflectivité $R$ et est mesuré par deux détecteurs homodynes à phase verrouillée. La mesure de l'opérateur de mesure de type POVM pour une DHD déséquilibrée correspond à des projecteurs sur des états déplacés compressés. La distribution de probabilité mesurée n'est pas la fonction Q de l'état original, mais plutôt la fonction Q de l'état après avoir subi une transformation de compression effective $\hat{S}(-\xi)$, où le paramètre de compression $\xi = \ln(r/t)$ est déterminé par les coefficients de réflexion ($r$) et de transmission ($t$) du séparateur de faisceau d'entrée ($R=r^2$).
• Implémentation expérimentale : Pour surmonter la difficulté de modifier mécaniquement les coefficients du séparateur de faisceau, les auteurs emploient un schéma optique codé en polarisation robuste.
  • Un séparateur de faisceau polarisant (PBS) remplace le séparateur de faisceau d'entrée standard.
  • Une lame demi-onde (HWP) dans le chemin du signal contrôle le déséquilibre en ajustant le rapport de la puissance transmise (polarisation horizontale) par rapport à la puissance réfléchie (polarisation verticale).
  • Un oscillateur local (LO) à polarisation circulaire fournit naturellement le déphasage de $\pi/2$ requis entre les deux bras de détection, simplifiant ainsi les exigences de verrouillage de phase.
  • La source est un oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) générant un état de vide compressé multimode. Le LO est façonné pour correspondre au premier mode propre spectral de la cavité.
  • L'acquisition de données implique une séquence de « maintien et mesure » pour verrouiller la phase LO-signal, suivie de la collecte des traces homodynes qui sont traitées pour reconstruire la fonction Q.

Contributions clés

1. Démonstration d'une mesure active : L'article présente la première réalisation expérimentale d'un dispositif de mesure agissant comme un élément optique actif. En ajustant la réflectivité $R$ du séparateur de faisceau, le système DHD effectue une transformation de compression ou d'anti-compression contrôlée sur l'état mesuré.
2. Déformation de l'espace des phases accordable : Les auteurs démontrent que le résultat de la mesure échantillonne directement la fonction Q de l'état d'entrée comme si celui-ci avait subi l'action d'un opérateur de compression, avec une intensité et une orientation de cette transformation continuellement ajustables via la réflectivité $R$.
3. Validation expérimentale : En utilisant un montage codé en polarisation, l'équipe a caractérisé avec succès un état de vide compressé, observant la déformation contrôlée de sa distribution dans l'espace des phases.

Résultats

• Équilibré vs Déséquilibré : Avec une DHD équilibrée ($R=0,5$), le système reconstruit l'état de vide compressé original, produisant des niveaux de compression et d'anti-compression bruts de -1,25 dB et 2,6 dB, respectivement.
• Transformation contrôlée : En faisant varier $R$, les auteurs ont observé des régimes distincts :
  • Pour $R > 0,5$, l'état est davantage compressé dans la quadrature d'amplitude ($q$).
  • Pour $R < 0,5$, l'état est compressé dans la quadrature de phase ($p$).
  • Crucialement, à une réflectivité spécifique ($R \approx 0,39$), le déséquilibre compense exactement la compression intrinsèque de l'état d'entrée. Cela résulte en une fonction Q mesurée ressemblant à un état thermique (où les deux variances de quadrature sont égales), ce qui « décompresse » effectivement l'entrée.
• Accord théorique : Les données expérimentales pour les paramètres de compression et d'anti-compression des fonctions Q reconstruites pour six valeurs de réflectivité différentes ont montré un fort accord avec le modèle théorique dérivé du formalisme POVM. Des écarts mineurs ont été attribués aux limites de stabilité expérimentale sur la durée étendue de la mesure.

Signification
L'article affirme que la détection double homodyne déséquilibrée sert d'outil polyvalent qui brouille la ligne entre mesure et manipulation. En transformant le détecteur en un processeur quantique reconfigurable, la technique permet :

• Caractérisation et manipulation simultanées : La capacité de remodeler la distribution de l'état dans l'espace des phases « en ligne » pendant le processus de mesure.
• Métrologie et certification améliorées : Le potentiel de remodeler dynamiquement les états pour mieux estimer les paramètres encodés dans l'amplitude ou la phase de compression, ou pour adapter les états afin de maximiser la fidélité pour certifier les caractéristiques non gaussiennes d'ordre élevé.
• Efficacité des ressources : La technique offre une alternative robuste et efficace en termes de ressources aux reconstructions d'états quantiques complexes, évitant le recours à des éléments optiques séparés et complexes pour effectuer les transformations de compression avant la détection.

Les auteurs concluent que cette approche établit la DHD déséquilibrée comme un ajout pratique à la boîte à outils de l'optique quantique, permettant la déformation contrôlée des états quantiques directement au sein de l'appareil de détection.