Superrozlišení optické fáze v kvantové limitě s koherentními a stlačenými stavy světla

Mgr. Miroslav JEŽEK

Advanced ('rigorózní') thesis

Optical phase super-resolution at the quantum limit with coherent and squeezed states of light

Abstract:

Interference of light fields plays an important role in various high-precision measurement schemes. It has been shown that super-resolving phase measurements beyond the standard coherent state limit can be obtained either by using maximally entangled multi-particle states of light or using complex detection approaches. In addition to their high technical complexity, these methods lack robustness against imperfections rendering the sensitivity performance above the shot noise limit. Here we show that super-resolving phase measurements at the shot noise limit can be achieved without resorting to non-classical optical states or to low-efficiency detection processes. Using robust coherent states of light, high-efficiency homodyne detection and a deterministic binarization processing technique, we show a narrowing of the interference fringes that scales with 1/sqrt(N) where N is the mean number of photons of the coherent state. Experimentally we demonstrate a more than 10-fold narrowing at the shot noise limit and up to 8 fringes per wavelength. Further, the phase super-resolution technique is extended to squeezed states of light. Preliminary experimental demonstration shows both the super-resolution and super-sensitivity beyond the shot noise limit using solely Gaussian resources---coherent and squeezed states and homodyne tomography.

Abstract:

Interference světla je důležitým faktorem v mnoha optických aplikacích. Umožňuje přesná interferometrická měření, ale současně omezuje dosažitelné rozlišení. Tato fundamentální vlnově optická limita byla překonána využitím kvantových entanglovaných vícefotonových stavů a nebo komplikovanými neklasickými detekčními metodami. Dosažené superrozlišení je bohužel extrémně citlivé na nedokonalosti detekčního zařízení či optické ztráty samotného měřeného vzorku. Tyto kvantové detekční metody tak vesměs vykazují citlivost horší než prosté intenzitní měření silným optickým signálem. V předložené práci ukážeme, že klasické koherentní stavy světla a běžná koherentní detekce umožňuje superrozlišení s citlivostí škálující se dle 1/sqrt(N), kde N je střední počet fotonů použitého laserového záření. Experimentálně demonstrujeme více než desetinásobné zúžení proužku interferenčního obrazce a superrozlišení dosahující osmi interferenčních proužků připadajících na jednu vlnovou délku. Současně analyzujeme citlivost prezentované metody a její škálování s intenzitou použitého světla. Dále diskutujeme možnost využití stlačeného světla pro interferometrické superrozlišení při současném vylepšení citlivosti pod standardní kvantovovou limitu.

Keywords

optická fáze, superrozlišení, citlivost, koherentní světlo, stlačené světlo, homodynní detekce

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 3. 2016

Accessible from:: 30. 3. 2016

Thesis defence

• Supervisor: -- AAA-neuveden

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics