Tunable passive squeezing of squeezed light through unbalanced double homodyne detection

技術要約：不均衡ダブルホモダイン検出による、スクイーズド光の調整可能な受動的スクイージング

問題提起
量子状態の完全なキャラクタリゼーションは、量子光学における中心的な課題である。標準的なホモダイン検出は電磁場の正準変数（クアドラチャ）の測定を可能にするが、単一のクアドラチャ測定から複雑な量子状態（例：ウィグナー関数）を再構成するには、膨大なデータ収集と高度なポストプロセッシング・アルゴリズムが必要となることが多い。ダブルホモダイン検出（DHD）は、直交するクアドラチャを同時に測定することで、ハシミ・Q関数（Husimi Q quasi-probability distribution）をサンプリングする、より直接的な代替手段を提供する。しかし、従来のパラダイムでは、測定装置は受動的な観測者として扱われ、状態の生成や操作とは厳密に分離されている。本論文は、複雑な光学セットアップを必要とせずに「オンライン」での処理を可能にするため、測定プロセス自体に状態操作を直接組み込むという課題に取り組んでいる。

手法
著者らは、測定装置自体に入力状態に対する実効的なスクイージング変換を行わせる手法を提案し、実験的に実現した。その中核となるメカニズムは、DHDセットアップにおける入力ビームスプリッター（$BS^*$）を意図的に不均衡にすることである。

• 理論的枠組み： 標準的なDHDでは、信号状態 $\hat{\rho}_s$ が反射率 $R$ のビームスプリッターによって分割され、2つの位相ロックされたホモダイン検出器によって測定される。不均衡なDHDにおける正の演算子値測定（POVM）は、スクイーズされた変位状態の射影に対応する。測定される確率分布は、元の状態のQ関数ではなく、反射係数（$R=r^2$）および透過係数（$t$）によって決定されるスクイージングパラメータ $\xi = \ln(r/t)$ を持つ、有効なスクイージング変換 $\hat{S}(-\xi)$ を受けた後の状態のQ関数である。
• 実験的実装： ビームスプリッターの係数を機械的に変更することの困難さを克服するため、著者らは堅牢な偏光エンコード光学スキームを採用している。
  • 標準的な入力ビームスプリッターの代わりに、偏光ビームスプリッター（PBS）を使用する。
  • 信号経路内の半波長板（HWP）が、透過パワー（水平偏光）と反射パワー（垂直偏光）の比率を調整することで、不均衡化を制御する。
  • 円偏光のローカルオシレータ（LO）は、2つの検出アーム間に必要な $\pi/2$ の位相差を自然に提供し、位相ロックの要件を簡素化する。
  • 光源は、マルチモード・スクイーズド真空状態を生成する同期ポンプ型光パラメトリックオシレータ（SPOPO）である。LOは、共振器の第1スペクトル固有モードに一致するように整形されている。
  • データ収集には、「ホールド・アンド・メジャー」シーケンスを用い、LOと信号の位相をロックした後、Q関数の再構成のためにホモダイン・トレースを収集する。

主な貢献

1. 能動的測定の実証： 本論文は、測定装置自体が能動的な光学素子として機能する実験的実現を提示している。反射率 $R$ を調整することにより、DHDシステムは測定される状態に対して制御可能なスクイージングまたはアンチスクイージング変換を行う。
2. 調整可能な位相空間変形： 著者らは、測定結果が、あたかもスクイージング演算子が作用を受けたかのような入力状態のQ関数を直接サンプリングすることを実証した。この変換の強さと方向は、反射率 $R$ を通じて連続的に調整可能である。
3. 実験的検証： 偏光エンコードされたセットアップを用いて、チームはスクイーズド真空状態を正常にキャラクタリゼーションし、その位相空間分布の制御された変形を観察した。

結果

• 平衡時と不均衡時： 平衡なDHD（$R=0.5$）では、システムは元のスクイーズド真空状態を再構成し、それぞれ -1.25 dB と 2.6 dB の生のスクイージングおよびアンチスクイージングレベルを得た。
• 制御された変換： $R$ を変化させることで、著者らは以下の異なる領域を観察した：
  • $R > 0.5$ の場合、状態は振幅クアドラチャ（$q$）においてさらにスクイーズされる。
  • $R < 0.5$ の場合、状態は位相クアドラチャ（$p$）においてスクイーズされる。
  • 決定的なことに、$R \approx 0.39$ という特定の反射率において、不均衡化は入力状態の固有のスクイージングを正確に相殺する。これにより、測定されたQ関数は熱状態（両方のクアドラチャ分散が等しい状態）に似たものとなり、事実上、入力の「アンスクイージング」が行われる。
• 理論との一致： 6つの異なる反射率における再構成されたQ関数のスクイージングおよびアンチスクイージング・パラメータに関する実験データは、POVM形式式から導出された理論モデルと強い一致を示した。わずかな偏差は、長時間の測定にわたる実験的な安定性の限界に起因するものと考えられる。

意義
本論文は、不均衡ダブルホモダイン検出が、測定と操作の境界を曖昧にする多用途なツールとして機能することを主張している。測定装置を再構成可能な量子プロセッサへと変形させることで、この技術は以下を可能にする：

• 同時キャラクタリゼーションおよび操作： 測定プロセス中の「オンライン」で、状態の位相空間分布を再形成する能力。
• メトロロジーと認証の強化： スクイージングの振幅または位相にエンコードされたパラメータをより良く推定するために状態を動的に再形成したり、高次の非ガウス的特徴の認証のためのフィデリティを最大化するように状態を整えたりする可能性。
• リソース効率： この技術は、検出前にスクイージング変換を実行するための別個の複雑な光学素品を必要とせず、複雑な量子状態再構成の代わりとなる、堅牢でリソース効率の高い代替手段を提供する。

著者らは、このアプローチが、検出装置内で直接量子状態の制御された変形を可能にすることで、不均衡DHDを量子光学のツールキットへの実用的な追加要素として確立するものであると結論付けている。