نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 836-14395، تهران- ایران
چکیده
در این مطالعه، به بررسی اثر برهم‌نهی حالت‌های همدوس بر قیچی کوانتومی پرداخته می‌شود. در این مطالعه فرض شده حالت‌های تک فوتون ایده‌آل، خلأ و برهم‌نهی از حالت‌های همدوس از طریق درگاه‌های ورودی به قیچی کوانتومی اعمال شوند. با فرض آشکارسازی تک فوتون و خلأ توسط آشکارسازها، شاهد حالت برهم‌نهی از حالت تک فوتون و خلأ در خروجی هستیم. در این مطالعه احتمال موفقیت قیچی، ضریب تقویت، ضریب همانندی و ضریب کارایی قیچی مورد بررسی قرار می‌گیرند. احتمال موفقیت به دامنه میدان همدوس و فاز میدان فرودی و ضرایب عبور شکافنده‌های باریکه وابسته است. بیشینه احتمال موفقیت 25 درصد به‌دست می‌آید که مربوط به حالت فرودی برهم‌نهی همدوس زوج است. قیچی کوانتومی در شرایطی می‌تواند سبب تقویت حالت‌های فرودی به آن شود. نتایج نشان می‌دهد توانایی تقویت قیچی برای فازهای میدان فرودی نزدیک به بیشینه مقدار است. علاوه بر اثر تقویت در خروجی قیچی کوانتومی، این کمیت به نوعی توزیع حضور حالت‌های صفر و تک فوتون را در آشکارساز تعیین می‌کند. به‌طوری‌که با تغییر فاز حالت فرودی و یا میزان عبور شکافندهای باریکه این توزیع قابل تغییر است. برای مقدار ثابت شدت میدان فرودی، هر چه میزان فاز فرودی به نزدیکتر باشد کارایی قیچی پایین‌تر است. نتایج نشان می‌دهد با توجه به وابستگی کمیت‌های مورد بررسی به ویژگی‌های حالت فرودی، می‌توان از قیچی کوانتومی برای مشخصه‌یابی برهم‌نهی از حالت‌های همدوس بهره برد.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Superposition of coherent states in passing through quantum scissors
نویسندگان [English]
- H.S. Lotfipour
- H. Sobhani
Photonic and Quantum Technologies Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14395-836, Tehran - Iran
چکیده [English]
This study investigates the effect of coherent state superposition on quantum scissors. The scissor is subjected to ideal single-photon, vacuum state, and superpositions of coherent states as incident fields. Detectors are employed to measure single photons and zero photons, resulting in a superposition state of single-photon and vacuum states at the output. The study calculates the scissor's probability of success, amplification factor, fidelity, and efficiency factor. The probability of success depends on the coherent field's amplitude, incident field phase, and transmission coefficients of the beam splitters. The maximum probability of success reaches 25%, attributed to even coherent state superpositions. Quantum scissors demonstrate the capability to amplify states under specific conditions. Results indicate maximum amplification when the incident field phase approximates π. Besides amplification, this phase significantly influences the distribution of zero and single-photon states in the superposition output. Thus, altering the incident field phase or beam splitter transmission can modify this distribution. For a fixed incident field intensity, closer proximity of the incident phase to π correlates with reduced scissor efficiency. These findings underscore how quantum scissors can characterize coherent state superpositions due to their sensitivity to incident state characteristics.
کلیدواژه‌ها [English]
- Quantum scissor
- Coherent state superposition
- Success probability
- Fidelity
- Pegg D.T, Phillips L.S, Barnett S.M. Optical state truncation by projection synthesis. Physical Review Letters. 1998;81:1604.
- Ralph T.C, Lund A. Nondeterministic noiseless linear amplification of quantum systems. AIP Conference Proceedings, American Institute of Physics. 2009.
- Ferreyrol F, Barbieri M, Blandino R, Fossier S, Tualle-Brouri R, Grangier P. Implementation of a nondeterministic optical noiseless amplifier. Physical Review Letters. 2010;104:123603.
- Liu C, Yu M, Ye W, Zhang H, Hu L. Preparation of nonclassical states by displacement-based quantum scissors. Results in Physics. 2020;19:103616.
- Mattos E, Vidiella-Barranco A. Generation of nonclassical states of light via truncation of mixed states. JOSA B. 2022;39:1885.
- Liu C, Zhan M, Qiu X, Fu Z, Zhang H, Jia F. Entanglement improvement via a single-side squeezing-based quantum scissors. Optics Express. 2022;30:17174.
- Xu X, Hu L, Liao Z. Improvement of entanglement via quantum scissors. JOSA B. 2018;35:174.
- Yu M, Zhang H, Ye W, Zhang K, Xia Y, Hu L. Improvement of entanglement via catalytic quantum scissors. Optik. 2021;241:167252.
- Lund A.P, Jeong H, Ralph T.C, Kim M.S, Conditional production of superpositions of coherent states with inefficient photon detection. Physical Review A. 2004;70:020101.
- Van Enk S.J, Hirota O. Entangled coherent states: Teleportation and decoherence. Physical Review A. 2001;64:022313.
- Ralph T.C, Gilchrist A, Milburn G.J, Munro W.J, Glancy S. Quantum computation with optical coherent states. Physical Review A. 2003;68:042319.
- Clausen J, Knöll L, Welsch D.-G. Lossy purification and detection of entangled coherent states. Physical Review A. 2002;66:062303.
- Cochrane P.T, Milburn G.J, Munro W.J. Macroscopically distinct quantum-superposition states as a bosonic code for amplitude damping. Physical Review A. 1999;59:2631.
- Özdemir ŞK, Miranowicz A, Koashi M, Imoto N. Quantum-scissors device for optical state truncation: A proposal for practical realization. Physical Review A. 2001;46:063818.
- Winnel M.S, Hosseinidehaj N, Ralph T.C. Generalized quantum scissors for noiseless linear amplification. Physical Review A. 2020;102:063715.
- Ren G, Yu H.J, Zhang C.Z, Zhang W.H. Quantum properties of superposition opposite coherent states using quantum scissors with conditional measurements. Physica Scripta. 2021;96:095103.
- Leonhardt Ulf. Quantum statistics of a lossless beam splitter: SU (2) symmetry in phase space. Physical Review A. 1993;48(4):3265.
- Fearn H, Loudon R. Quantum theory of the lossless beam splitter. Optics Communications. 1987;64(6):485-490.
- Campos R.A, Saleh B.E.A, Teich M.C. Quantum-mechanical lossless beam splitter: SU (2) symmetry and photon statistics. Physical Review A. 1989;40(3):1371.
- Ou Z.Y.J. Multi-photon quantum interference. New York. Springer. 2007;43.
- Gerry C.C, Knight P.L. Introductory quantum optics. Cambridge University Press. 2023.
- Mattos E, Vidiella-Barranco A. Generation of nonclassical states of light via truncation of mixed states. JOSA B. 2022;39:1885.
- Ralph T.C, Lund A.P. Nondeterministic noiseless linear amplification of quantum systems. AIP Conference Proceedings, American Institute of Physics. 2009.
- Liu C, Yu M, Ye W, Zhang H, Hu L. Preparation of nonclassical states by displacement-based quantum scissors. Results in Physics. 2020;19:103616.
- Liu C, Zhan M, Qiu X, Fu Z, Zhang H, Jia F. Entanglement improvement via a single-side squeezing-based quantum scissors. Optics Express. 2022;30:17174.
- Zhang K, Hu L, Ye W, Liu C, Xu X. Preparation and non-classicality of non-Gaussian quantum states based on catalytic quantum scissors. Laser Physics Letters. 2018;16:015204.
)