非线性光学腔中量子态测量与观测

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引言
! _1 h7 R; d3 s" @: s9 T光频量子态在计量学、计算和密码学等诊多领域具有重要应用价值。测量这些量子态，尤其是在光学腔内产生的量子态，因为需要在不干扰量子特性的情况下获取信息而面临重大挑战。本文探讨新的框架，用于重建和观测非线性光学腔内产生的量子态动态特性[1]。
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" y% _  I( P+ n) K2 `( M$ @5 _图1：非线性光学腔内量子态测量示意图。(a)展示了利用多稳态系统对弱相干场敏感性的重建过程。(b)通过Husimi Q函数测量展示腔内量子态的可视化过程。
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基本概念
3 w# R1 G5 \0 K2 o/ E传统基于外差检测的量子层析技术不适用于测量confined在光学腔内的量子态，这使得光学腔内量子态的测量一直是一个难题。本文提出的创新方法利用光学腔对弱相干场的敏感性，将量子态映射到可测量的宏观可观测量上。

/ c6 J- T" D/ ]& d实验装置与方法

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图2：测量腔内压缩态的实验装置。(a)展示了实验示意图。(b)说明了非线性驱动耗散系统中的相位敏感放大。(c)展示了测量协议。(d-f)显示了实验结果，包括偏置-概率曲线和重建的Q函数。
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实验装置使用简并光学参量振荡器(DOPO)作为主要平台。系统采用双波长飞秒激光源，提供泵浦和偏置场。DOPO由置于蝴蝶形光学腔内的非线性晶体构成，实现了对量子态产生和测量过程的精确控制。
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量子态重建过程
重建过程包含以下关键步骤：

在腔内产生初始量子态

引入相干探测场（偏置）

通过稳态统计测量系统响应

重建量子态的拟概率分布
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; E6 P: }% G2 B" c+ f: I图3：DOPO系统中腔内动态的可视化。展示了从量子真空态通过线性放大和非线性吸收到最终混合态的演化过程，以及测量协议和实验结果。

" Y: p/ ]' m0 }0 o腔内压缩态测量
该框架展示的主要成就之一是腔内压缩态的测量。系统能够检测和表征腔内产生的压缩真空态，在特定正交分量上显示约1.2 ± 0.6 dB的压缩比。这种测量能力为研究腔态的量子特性提供了重要见解。

6 c$ h0 D" m0 o腔内动态观测
该框架能够直接观测量子态在腔内的演化过程。包括跟踪量子真空态的放大以及通过非线性相互作用过程的各个阶段的转变。系统可以监测线性放大区域和非线性效应的产生。

技术考虑与限制
0 D+ F6 o9 x: x. {- r2 e当前实现面临几个技术挑战：

偏置场的消光比受限

控制电子器件的响应时间有限

电压放大器的带宽限制

非线性晶体的温度稳定性要求
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发展方向
8 c$ i5 U$ e4 T这种技术为研究非线性驱动耗散系统中的量子光学现象提供了新方法。潜在应用包括：
研究量子到经典的转变
研究非高斯量子态
发展量子传感技术
探索量子模拟平台
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" ~0 q* N) t! e6 Y& C# i结论
7 h% R% P  }% J4 Y( M  n! R7 D4 F本文介绍了用于测量和表征光学腔内量子态的完整框架。这种技术提供了一种独特的量子态层析方法，克服了传统测量方法的许多限制。随着技术继续发展，特别是与光子平台的集成，量子光学和量子信息处理领域将会出现更多精密应用。

参考文献
[1] S. Choi, Y. Salamin, C. Roques-Carmes, J. Sloan, M. Horodynski, and M. Solja?i?, "Observing the dynamics of quantum states generated inside nonlinear optical cavities," arXiv:2412.01772v1 [quant-ph], Dec. 2024.
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