Squeezed dual-comb spectroscopy

光谱学 对偶(语法数字) 物理 材料科学 语言学 哲学 量子力学
作者
Daniel I. Herman,Mathieu Walsh,Molly Kate Kreider,Noah Lordi,Eugene Tsao,Alexander J. Lind,Matthew Heyrich,Joshua Combes,Jérôme Genest,Scott A. Diddams
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:1
标识
DOI:10.48550/arxiv.2408.16688
摘要

Laser spectroscopy and interferometry have provided an unparalleled view into the fundamental nature of matter and the universe through ultra-precise measurements of atomic transition frequencies and gravitational waves. Optical frequency combs have expanded metrology capabilities by phase-coherently bridging radio frequency and optical domains to enable traceable high-resolution spectroscopy across bandwidths greater than hundreds of terahertz. However, quantum mechanics limits the measurement precision achievable with laser frequency combs and traditional laser sources, ultimately impacting fundamental interferometry and spectroscopy. Squeezing the distribution of quantum noise to enhance measurement precision of either the amplitude or phase quadrature of an optical field leads to significant measurement improvements with continuous wave lasers. In this work, we generate bright amplitude-squeezed frequency comb light and apply it to molecular spectroscopy using interferometry that leverages the high-speed and broad spectral coverage of the dual-comb technique. Using the Kerr effect in nonlinear optical fiber, the amplitude quadrature of a frequency comb centered at 1560 nm is squeezed by >3 dB over a 2.5 THz of bandwidth that includes 2500 comb teeth spaced by 1 GHz. Interferometry with a second coherent state frequency comb yields mode-resolved spectroscopy of hydrogen sulfide gas with a signal-to-noise ratio (SNR) nearly 3 dB beyond the shot noise limit, taking full metrological advantage of the amplitude squeezing when the electrical noise floor is considered. The quantum noise reduction leads to a two-fold quantum speedup in the determination of gas concentration, with impact for fast, broadband, and high SNR ratio measurements of multiple species in dynamic chemical environments.
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