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Theory of light detection in the presence of feedback

Prem Kumar, G. Saplakoglu, Malvin Carl Teich, Bahaa E. A. Saleh

Published Jun 9, 1986• 0 citations
OpenAlex

Abstract

The usual formulations of the quantum and semiclassical theories of photodetection presume open-loop configurations, i.e., that there are no feedback paths leading from the output of the photodetector to the light beam impinging on that detector. In such configurations, the qualitative and quantitative distinctions between the quantum and semiclassical theories are well understood. In the quantum theory, photocurrent and photocount randomness arises from the quantum noise in the illumination beam, whereas in the semiclassical theory the fundamental source of randomness is associated with the excitations of the atoms forming the detector. Nevertheless, the quantum theory subsumes the semiclassical theory in a natural way.1

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The semiclassical theory of photodetection places well-established limits on the fluctuations seen in the outputs of photodetectors. Consider the semiclassical analysis of two identical quantum-efficiency η photodetectors Illuminated by two quast-monochromatic light beams of nominal frequency ν0 and randomly fluctuating powers P1(t) and P2(t).

Conference on Lasers and Electro-Optics•Jan 1, 1985•1 citation

Theory of light detection in the presence of feedback

Jeffrey H. Shapiro, Prem Kumar, Bahaa E. A. Saleh +3 more

The usual open-loop quantum and semiclassical theories of light detection are extended to include closed-loop operation in which there is feedback from the detector to the source. It is shown that the unmistakable signatures of nonclassical light associated with open-loop detection, such as sub-shot-noise spectra and sub-Poisson photo-counts, do not carry over to closed-loopsystems. This behavior is illustrated through quantitatively indistinguishable quantum and semiclassical analyses of two recent closed-loop experiments in which sub-Poisson photocount statistics were produced. It turns out that if the open-loop illumination does not require the use of quantum photodetection theory, then neither does the closed-loop illumination. Conversely, if the open-loop illumination is nonclassical, then the closed-loop behavior must be analyzed quantum mechanically. The use of nonclassical field correlations to obtain light beams that give sub-Poisson open-loop photocounts from these closed-loop arrangements is discussed and generalized into a synthesis procedure for producing light beams with arbitrary open-loop photocount statistics.

Journal of the Optical Society of America B•Oct 1, 1987•119 citations

Quantum theory of continuous photodetection in the presence of feedback

D. B. Horoshko, S. Ya. Kilin

European Quantum Electronics Conference (EQEC)•Aug 24, 2005•0 citations

Semiclassical Theory of Light Detection in the Presence of Feedback

Jeffrey H. Shapiro, Malvin Carl Teich, Bahaa E. A. Saleh +2 more

The usual open-loop semiclassical theory of light detection is extended to include closed-loop operation in which there is feedback from the detector to the source. The revised theory takes the form of a self-exciting point process. It admits photocount statistics that are associated with non-classical light in open-loop configurations, e.g., sub-shot-noise spectra and sub-Poisson photocounts. The extended theory is used to explain two recent closed-loop experiments in which sub-Poisson photocount statistics were produced.

Physical Review Letters•Mar 17, 1986•21 citations

Quantum Measurement and Feedback Control of highly nonclassical Photonic States

Jared Lolli

Mesure et Feedback quantique pour états Photonique fortement non classique Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse

•Nov 10, 2017•0 citations

Simulating Bell states with classical light

Jeffrey H. Shapiro

Recently, Chen \em et al\rm. [New J. Phys. {\bf 13} (2011) 083018] presented experimental results, accompanied by quantum-mechanical analysis, showing that the quantum interference behavior of Bell states could be simulated in a modified Mach-Zehnder interferometer whose inputs are pseudothermal light beams obtained by passing laser light through a rotating ground-glass diffuser. Their experiments and their theory presumed low-flux operation in which the simulated quantum interference is observed via photon-coincidence counting. We first show that the Chen \em et al\rm. photon-coincidence counting experiments can be fully explained with semiclassical photodetection theory, in which light is taken to be a classical electromagnetic wave, and the discreteness of the electron charge leads to shot noise as the fundamental photodetection noise. We then use semiclassical photodetection theory to show that the \em same\rm simulated quantum interference pattern can be observed in high-flux operation, when photocurrent cross-correlation is used instead of photon-coincidence counting.

•Oct 27, 2011•0 citations
The usual formulations of the quantum and semiclassical theories of photodetection presume open-loop configurations, i.e., that there are no feedback paths leading from the output of the photodetector to the light beam impinging on that detector. In such configurations, the qualitative and quantitative distinctions between the quantum and semiclassical theories are well understood. In the quantum theory, photocurrent and photocount randomness arises from the quantum noise in the illumination beam, whereas in the semiclassical theory the fundamental source of randomness is associated with the excitations of the atoms forming the detector. Nevertheless, the quantum theory subsumes the semiclassical theory in a natural way.1
The usual open-loop quantum and semiclassical theories of light detection are extended to include closed-loop operation in which there is feedback from the detector to the source. It is shown that the unmistakable signatures of nonclassical light associated with open-loop detection, such as sub-shot-noise spectra and sub-Poisson photo-counts, do not carry over to closed-loopsystems. This behavior is illustrated through quantitatively indistinguishable quantum and semiclassical analyses of two recent closed-loop experiments in which sub-Poisson photocount statistics were produced. It turns out that if the open-loop illumination does not require the use of quantum photodetection theory, then neither does the closed-loop illumination. Conversely, if the open-loop illumination is nonclassical, then the closed-loop behavior must be analyzed quantum mechanically. The use of nonclassical field correlations to obtain light beams that give sub-Poisson open-loop photocounts from these closed-loop arrangements is discussed and generalized into a synthesis procedure for producing light beams with arbitrary open-loop photocount statistics.
The usual open-loop semiclassical theory of light detection is extended to include closed-loop operation in which there is feedback from the detector to the source. The revised theory takes the form of a self-exciting point process. It admits photocount statistics that are associated with non-classical light in open-loop configurations, e.g., sub-shot-noise spectra and sub-Poisson photocounts. The extended theory is used to explain two recent closed-loop experiments in which sub-Poisson photocount statistics were produced.
Mesure et Feedback quantique pour états Photonique fortement non classique Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse
Recently, Chen \em et al\rm. [New J. Phys. {\bf 13} (2011) 083018] presented experimental results, accompanied by quantum-mechanical analysis, showing that the quantum interference behavior of Bell states could be simulated in a modified Mach-Zehnder interferometer whose inputs are pseudothermal light beams obtained by passing laser light through a rotating ground-glass diffuser. Their experiments and their theory presumed low-flux operation in which the simulated quantum interference is observed via photon-coincidence counting. We first show that the Chen \em et al\rm. photon-coincidence counting experiments can be fully explained with semiclassical photodetection theory, in which light is taken to be a classical electromagnetic wave, and the discreteness of the electron charge leads to shot noise as the fundamental photodetection noise. We then use semiclassical photodetection theory to show that the \em same\rm simulated quantum interference pattern can be observed in high-flux operation, when photocurrent cross-correlation is used instead of photon-coincidence counting.