24007

PHY3 156

دكتري

فيزيك - اتمي مولكولي

فيزيك

1403/06/28

163 ص.

رسول ركني زاده

علي مهدي فر

ﻣﺘﺮﻭﻟﻮﮊﯼ ﮐﻮﺍﻧﺘﻮمي , ﺳﺎﻣﺎﻧﻪ ﺍﭘﺘﻮمكانيكي , ﻭﺍﻫﻤﺪﻭسي , ﮐﺮﺍﻥ ﮐﺮﺍﻣﺮ ـ ﺭﺍﺋﻮ , ﺍﻃﻼﻋﺎﺕ ﻓﯿﺸﺮ ﮐﻮﺍﻧﺘﻮمي

اهميت بالايي برخوردار است به همين دليل، محققان همواره در تلاشند تا دقت، حساسيت و قابليت اطمينان روش‌هاي اندازه‌گيري موجود را افزايش دهند در اين رساله، رويكردي نظري براي بررسي امكان اندازه‌گيري دما با استفاده از يك سامانه اپتومكانيكي ارائه مي‌دهيم اين سامانه شامل يك كاواك نوري است كه امكان برهمكنش بين فوتون‌ها (در مقياس كوانتومي) و يك آينه متحرك (در مقياس ماكروسكوپي) را فراهم مي‌كند با جابه‌جايي آينه متصل به نوسانگر مكانيكي، طول كاواك تغيير مي‌كند و به اين ترتيب، تغييرات دما از طريق تغييرات بسامد نوسانات مكانيكي كه در حالت كوانتومي سامانه اپتومكانيكي كد شده است، قابل اندازه‌گيري مي‌شود اين روش به دليل دقت و حساسيت بالا به تغييرات كوچك دما، براي كاربردهاي فيزيك و مهندسي بسيار مناسب است ما دقت تخمين دما را با استفاده از «اطلاعات فيشر» و «كران كرامر ـ رائو» در سامانه‌هاي باز و بسته ارزيابي مي‌كنيم و همچنين تأثير وجود همبستگي‌هاي كوانتومي ميدان اوليه را مورد بررسي قرار مي‌دهيم يافته‌ها نشان مي‌دهد كه افزايش همبستگي (درهم‌تنيدگي) حالت‌هاي ورودي، زمان اندازه‌گيري را كاهش داده و حساسيت تخمين دما را افزايش مي‌دهد با اين حال، مشاهده مي‌كنيم كه همدوسي كوانتومي تحت تأثير نوفه مكانيكي قرار مي‌گيرد و منجر به كاهش عملكرد سامانه‌هاي كوانتومي مي‌شود علاوه بر اين، ما نشان مي‌دهيم كه اطلاعات فيشر سامانه در برابر نويز مكانيكي انعطاف‌پذير است، اما به طور قابل‌توجهي تحت تأثير نويز نوري قرار مي‌گيرد در نهايت، دقت تخمين دما را براي يك سامانه اپتومكانيكي معمولي بر اساس اندازه‌گيري فاز در سامانه بسته تعيين مي‌كنيم نتايج ما توانايي سامانه‌هاي اپتومكانيكي را در اندازه‌گيري بسيار دقيق دما و همچنين ميزان استحكام آن‌ها در برابر واهمدوسي نشان مي‌دهد.

Quantum Metrology , Optomechanical System , Decoherence , Cramér–Rao bound , Quantum Fischer Information

Quantum Metrology by an Optomechanical System Research and Development of Quantum Metrology Using Optomechanical Systems for Determining Sensitivity Limits in Temperature Estimation

فيزيك

Accurate temperature measurement is crucial for advancements in science and engineering. Researchers continuously strive to enhance existing measurement methodsʹ accuracy, sensitivity, and reliability. This thesis introduces a theoretical approach to explore the potential of temperature measurement using an optomechanical system. The system comprises an optical cavity that enables the interaction between photons (on a quantum scale) and a moving mirror (on a mesoscopic scale) by adjusting the mirror connected to the mechanical oscillator, the length of the cavity changes, allowing for the measurement of temperature changes through alterations in the frequency of the mechanical oscillations encoded in the quantum state of the optomechanical system. This method is well-suited for physics and engineering applications due to its high accuracy and sensitivity to small temperature changes. We assess the accuracy of temperature estimation using "Fisher information" and "Cramer-Rao bounds" in open and closed systems and also study the impact of quantum correlations in the optical input state. The results indicate that the expected correlation (entanglement) of input modes reduces the measurement time and enhances the sensitivity of temperature estimation. However, we observe that mechanical noise affects quantum coherence, leading to a decrease in the performance of quantum systems. Additionally, we find that the Fisher information of the system remains robust to mechanical noise but is significantly affected by optical noise. Lastly, we determine the accuracy of temperature estimation for a typical optomechanical system based on phase measurement in the closed system. Our findings demonstrate the capability of optomechanical systems to perform highly accurate temperature measurements and their resilience against decoherence.

6