Tunable passive squeezing of squeezed light through unbalanced double homodyne detection

Sintesi Tecnica: Squeezing Passivo Sintonizzabile della Luce Squeezata tramite Doppia Omodina Non Bilanciata

Problema
La caratterizzazione completa degli stati quantistici della luce è un compito centrale nell'ottica quantistica. Mentre l'omodina standard permette la misura delle quadrature del campo elettromagnetico, la ricostruzione di stati quantistici complessi (ad esempio, tramite la funzione di Wigner) partendo da misure di singola quadratura richiede spesso un'acquisizione dati estesa e algoritmi di post-elaborazione sofisticati. La doppia omodina (Double Homodyne Detection, DHD) offre un'alternativa più diretta, misurando simultaneamente le quadrature ortogonali per campionare la distribuzione di quasi-probabilità Q di Husimi. Tuttavia, il paradigma convenzionale tratta l'apparato di misura come un osservatore passivo, strettamente separato dalla generazione e dalla manipolazione dello stato. Questo articolo affronta la sfida di integrare la manipolazione dello stato direttamente nel processo di misura per consentire un'elaborazione "on-line" senza configurazioni ottiche complesse.

Metodologia
Gli autori propongono e realizzano sperimentalmente una tecnica in cui l'apparato di misura esegue di per sé una trasformazione di squeezing efficace sullo stato di input. Il meccanio centrale consiste nel sbilanciare intenzionalmente il beam splitter ($BS^*$) in una configurazione DHD.

• Quadro Teorico: In una DHD standard, uno stato di segnale $\hat{\rho}_s$ viene diviso da un beam splitter con riflettività $R$ e misurato da due rivelatori di omodina con fase bloccata. La misura di operatore positivo (POVM) per una DHD non bilanciata corrisponde a proiettori su stati spostati e squeezed. La distribuzione di probabilità misurata non è la funzione Q dello stato originale, ma la funzione Q dello stato dopo che è stata subita una trasformazione di squeezing efficace $\hat{S}(-\xi)$, dove il parametro di squeezing $\xi = \ln(r/t)$ è determinato dai coefficienti di riflessione ($r$) e trasmissione ($t$) del beam splitter di input ($R=r^2$).
• Implementazione Sperimentale: Per superare la difficoltà di cambiare meccanicamente i coefficienti del beam splitter, gli autori impiegano uno schema ottico codificato in polarizzazione, robusto.
  • Un beam splitter polarizzatore (PBS) sostituisce il classico beam splitter di input.
  • Una lamina a mezz'onda (HWP) nel percorso del segnale controlla lo sbilanciamento sintonizzando il rapporto tra potenza trasmessa (polarizzazione orizzontale) rispetto a quella riflessa (polarizzazione verticale).
  • Un oscillatore locale (LO) a polarizzazione circolare fornisce naturalmente lo sfasamento di $\pi/2$ richiesto tra i due bracci di rilevamento, semplificando i requisiti di blocco della fase.
  • La sorgente è un oscillatore parametrico ottico a pompaggio sincrono (SPOPO) che genera uno stato di vuoto squeezed multimodo. Il LO è modellato per corrispondere al primo autostato spettrale della cavità.
  • L'acquisizione dei dati prevede una sequenza "hold-and-measure" per bloccare la fase LO-segnale, seguita dalla raccolta di tracce di omodina che vengono elaborate per ricostruire la funzione Q.

Contributi Chiave

1. Dimostrazione di Misura Attiva: Il lavoro presenta la prima realizzazione sperimentale di un dispositivo di misura che agisce come un elemento ottico attivo. Sintonizzando la riflettività $R$ del beam splitter, il sistema DHD esegue una trasformazione di squeezing o anti-squeezing controllabile sullo stato misurato.
2. Deformazione Sintonizzabile dello Spazio delle Fasi: Gli autori dimostrano che l'esito della misura campiona direttamente la funzione Q dello stato di input come se fosse stato sottoposto a un operatore di squeezing. L'intensità e l'orientamento di questa trasformazione sono continuamente sintonizzabili tramite la riflettività $R$.
3. Validazione Sperimentale: Utilizzando una configurazione codificata in polarizzazione, il team ha caratterizzato con successo uno stato di vuoto squeezed, osservando la deformazione controllata della sua distribuzione nello spazio delle fasi.

Risultati

• Bilanciato vs Non Bilanciato: Con una DHD bilanciata ($R=0.5$), il sistema ricostruisce lo stato di vuoto squeezed originale, ottenendo livelli di squeezing e anti-squeezing grezzi rispettivamente di -1.25 dB e 2.6 dB.
• Trasformazione Controllata: Variando $R$, gli autori hanno osservato regimi distinti:
  • Per $R > 0.5$, lo stato subisce un ulteriore squeezing nella quadratura di ampiezza ($q$).
  • Per $R < 0.5$, lo stato subisce uno squeezing nella quadratura di fase ($p$).
  • Crucialmente, a una specifica riflettività ($R \approx 0.39$), lo sbilanciamento controbilancia esattamente lo squeezing intrinseco dello stato di input. Ciò risulta in una funzione Q misurata che somiglia a uno stato termico (dove le due varianze di quadratura sono uguali), effettuando di fatto l'"anti-squeezing" dell'input.
• Accordo Teorico: I dati sperimentali per i parametri di squeezing e anti-squeezing delle funzioni Q ricostruite attraverso sei diversi valori di riflettività hanno mostrato un forte accordo con il modello teorico derivato dal formalismo POVM. Lievi deviazioni sono state attribuite ai limiti di stabilità sperimentale durante il tempo di misura esteso.

Significatività
Il lavoro sostiene che la doppia omodina non bilanciata funge da strumento versatile che sfuma il confine tra misura e manipolazione. Trasformando il rilevatore in un processore quantistico riconfigurabile, la tecnica permette di:

• Caratterizzazione e Manipolazione Simultanea: La capacità di rimodellare la distribuzione dello stato nello spazio delle fasi "on-line" durante il processo di misura.
• Metrologia e Certificazione Avanzata: Il potenziale di rimodellare dinamicamente gli stati per stimare meglio i parametri codificati in ampiezza o fase di squeezing, o per adattare gli stati per massimizzare la fedeltà nella certificazione di caratteristiche non gaussiane di ordine superiore.
• Efficienza delle Risorse: La tecnica offre un'alternativa robusta ed efficiente per la ricostruzione dello stato quantistico, evitando l'uso di elementi ottici separati e complessi per eseguire trasformazioni di squeezing prima del rilevamento.

Gli autori concludono che questo approccio stabilisce la DHD non bilanciata come un'aggiunta pratica alla cassetta degli attrezzi dell'ottica quantistica, consentendo la deformazione controllata degli stati direttamente all'interno dell'apparato di rilevamento.