Tunable passive squeezing of squeezed light through unbalanced double homodyne detection

技术摘要：通过非平衡双正交同相检测实现挤压光的自适应被动挤压

问题陈述
量子态的全特征化是量子光学中的核心任务。虽然标准的同相检测允许测量电磁场正交分量，但从单正交测量中重建复杂量子态（例如通过维格纳函数）通常需要大量的数据采集和复杂的后处理算法。双正交同相检测（DHD）提供了一种更直接的替代方案，通过同时测量正交的正交分量来采样 Husimi Q 拟概率分布。然而，传统的范式将测量装置视为被动的观察者，将其与态的生成和操纵严格分离。本文旨在解决如何将态操纵直接集成到测量过程中，从而在无需复杂光学设置的情况下实现“在线”处理的挑战。

方法论
作者提出并实验实现了一种技术，使测量装置本身能够对输入态执行有效的挤压变换。其核心机制涉及有意地使 DHD 设置中的输入分束器（$BS^*$）处于非平衡状态。

• 理论框架： 在标准的 DHD 中，信号态 $\hat{\rho}_s$ 被反射率为 $R$ 的分束器分割，并由两个相位锁定的同相检测器进行测量。非平衡 DHD 的正算符值测度（POVM）对应于挤压位移态的投影。测得的概率分布并非原始态的 Q 函数，而是经过有效挤压变换 $\hat{S}(-\xi)$ 后的态的 Q 函数，其中挤压参数 $\xi = \ln(r/t)$ 由输入分束器的反射系数（$R=r^2$）和透射系数（$t$）决定。
• 实验实现： 为了克服机械改变分束器系数的困难，作者采用了一种稳健的、基于偏振编码的光学方案。
  • 一个偏振分束器（PBS）取代了标准的输入分束器。
  • 一个位于信号路径中的半波片（HWP）通过调节透射功率（水平偏振）与反射功率（垂直偏振）的比率来控制非平衡程度。
  • 圆偏振局部振荡器（LO）自然地在两个检测臂之间提供了所需的 $\pi/2$ 相位差，简化了相位锁定要求。
  • 源是一个同步泵浦光学参量振荡器（SPOPO），产生多模挤压真空态。LO 的形状被设计为匹配腔体的第一个光谱本征模。
  • 数据采集涉及一个“保持并测量”序列，以锁定 LO-信号相位，随后收集同相迹线并进行处理以重建 Q 函数。

主要贡献

1. 主动测量的演示： 本文展示了第一个将测量设备作为主动光学元件运行的实验实现。通过调节分束器反射率 $R$，DHD 系统可以对被测态执行可控的挤压或反挤压变换。
2. 可调相位空间形变： 作者证明了测量结果直接采样了输入态的 Q 函数，仿佛该态已受到挤压算符的作用。这种变换的强度和方向可以通过反射率 $R$ 进行连续调节。
3. 实验验证： 利用偏振编码设置，团队成功表征了一个挤压真空态，观察到了其相位空间分布受控的形变。

结果

• 平衡 vs. 非平衡： 在平衡 DHD（$R=0.5$）下，系统重建了原始的挤压真空态，得到的原始挤压和反挤压水平分别为 -1.25 dB 和 2.6 dB。
• 受控变换： 通过改变 $R$，作者观察到了不同的机制：
  • 当 $R > 0.5$ 时，态在幅度正交分量（$q$）方向被进一步挤压。
  • 当 $R < 0.5$ 时，态在相位正交分量（$p$）方向被挤压。
  • 至关重要的是，在特定的反射率（$R \approx 0.39$）下，非平衡效应恰好抵消了输入态的固有挤压。这导致测得的 Q 函数呈现出类似于热态的状态（即两个正交分量的方差相等），有效地“取消了”输入态的挤压。
• 理论一致性： 在六个不同反射率值下，实验数据展示出的重建 Q 函数的挤压和反挤压参数与基于 POVM 形式化推导的理论模型高度吻合。微小的偏差归因于在长时间测量过程中的实验稳定性限制。

意义
本文声称，非平衡双正交同相检测是一种通用的工具，它模糊了测量与操纵之间的界限。通过将检测器转变为可重构的量子处理器，该技术可以实现：

• 同步表征与操纵： 能够在测量过程中“在线”重塑态的相位空间分布的能力。
• 增强计量学与认证： 能够动态重塑态，以更好地估计编码在挤压幅度或相位中的参数，或定制态以最大化用于认证高阶非高斯特征的保真度。
• 资源效率： 该技术提供了一种稳健且资源高效的替代方案，避免了在检测前使用复杂的独立光学元件来执行挤压变换。

作者总结道，这种方法确立了非平衡双正交同相检测作为量子光学工具箱中的实用工具，实现了在检测装置内直接对量子态进行受控形变。