<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">690721</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2021.690721</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Generation of High-Order Vortex States From Two-Mode Squeezed States</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Puentes and Banerji</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">High Order Vortex States</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>Graciana</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1291581/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Banerji</surname>
<given-names>Anindya</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1293084/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Departamento de Fsica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, <addr-line>Buenos Aires</addr-line>, <country>Argentina</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>CONICET-Universidad de Buenos Aires, Instituto de Fsica de Buenos Aires (IFIBA), Ciudad Universitaria, <addr-line>Buenos Aires</addr-line>, <country>Argentina</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<label>
<sup>3</sup>
</label>Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore, <addr-line>Singapore</addr-line>, <country>Singapore</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1176687/overview">Antonio Zelaquett Khoury</ext-link>, Fluminense Federal University, Brazil</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1301855/overview">Rafael Barros</ext-link>, Tampere University, Finland</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1302562/overview">Luis Sanchez Soto</ext-link>, Complutense University of Madrid, Spain</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Graciana Puentes, <email>gpuentes@df.uba.ar</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Optics and Photonics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>24</day>
<month>06</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>690721</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>04</day>
<month>04</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>31</day>
<month>05</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Puentes and Banerji.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Puentes and Banerji</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>We report a scheme for generation of high-order quadrature vortex states using two-mode photon-number squeezed states, generated via the non-linear process of Spontaneous Parametric Down Conversion. By applying a parametric rotation in the quadratures <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using a &#x3d5; converter, the Gaussian profile of the photon-number squeezed input state can be mapped into a superposition of Laguerre-Gauss modes in the quadratures with <italic>N</italic> vortices or singularities, for an input state containing <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> photons, thus mapping photon-number fluctuations to interference effects in the quadratures. Our scheme has the potential to improve measurement sensitivity beyond the Standard uantum Limit (SQL <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), by exploiting the advantages of optical vortices, such as high dimensionality or topological properties, for applications requiring reduced uncertainty, such as quantum cryptography, quantum metrology and sensing.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>orbital angular momentum</kwd>
<kwd>photon-number squeezed states</kwd>
<kwd>optical vortices</kwd>
<kwd>structured light</kwd>
<kwd>spontaneous parametric down conversion</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>In quantum optics, a beam of light is in a squeezed state if its electric field amplitude has a reduced uncertainty, in relation to that of a coherent state. Thus, the term squeezing refers to squeezed uncertainty. In general, for a classical coherent state with <italic>N</italic> particles, the sensitivity of a measurement is limited by shot noise to the Standard Quantum Limit (SQL <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). On the other hand, quantum states, such as photon-number squeezed states, hold the promise of improving measurement precision beyond the SQL. Squeezed states of light find a myriad of applications, such as in precision measurements, radiometry, calibration of quantum efficiencies, or entanglement-based quantum cryptography, to mention only a few [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>An optical vortex is a singularity or zero point intensity of an optical field. More specific, a generic&#x20;Laguerre-Gauss beam of order <italic>m</italic> of the form <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with &#x3d5; its azymuthal phase and <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> its radial coordinate, has an optical vortex in its center for <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The phase in the field circulates around such singularity giving rise to vortices. Integrating around a path enclosing a vortex yields an integer number, multiple of &#x3c0;. This integer is known as the topological charge. There is a broad range of applications of optical vortices in diverse areas, such as in astronomy for detection of extra-solar planets, in optical tweezers for manipulation of cells and micro-particles, in optical communication to improve the spectral efficiency, in Orbital Angular Momentum (OAM) multiplexing, and in quantum cryptography to increase communication bandwidth [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].</p>
<p>In this article, we report a scheme for generation of high-order <bold>quadrature</bold> vortex states using two-mode photon-number squeezed states generated <italic>via</italic> the non-linear process of Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC). By applying a parametric rotation in the quadratures <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using a &#x3d5; converter, the quadrature representation of the photon-number squeezed input state can be mapped into a vortex state in the quadratures containing <italic>N</italic> vortices or singularities, for an input state containing <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> photons, thus mapping photon-number fluctuations to interference effects in the quadrature, giving rise to the emergence of a state with a well-defined number of vortices. Our scheme has the potential of exploiting the advantages of optical vortices, such as high dimensionality or topological properties, for applications requiring precision beyond the SQL <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, such as quantum cryptography, quantum metrology and sensing.</p>
<p>A &#x3d5; converter, also called mode converter, is customarily used in classical optics to convert two orthogonal Hermite-Gauss modes into a Laguerre-Gauss mode. The main motivation of the present work is to explore if an equivalent operation exists that can transform a Hermite-Gauss quadrature representation into a Laguerre-Gauss representation. We found such operation indeed exists. A remarkable feature of this operation is that it can be experimentally realized by using a balanced 50:50 beam splitter. A key application of the scheme reported here is in generation of photon-number squeezed states from quadrature vortex states, by implementation of the inverse protocol.</p>
<p>The article is structured as follows: First, in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> we review the properties of two-mode photon-number squeezed states such as their quadrature representation and photon-number distribution, second in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> we introduce the concept of quadrature rotation. Next, in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, we present the quadrature representation of the rotated states&#x20;in terms of Laguerre-Gauss modes. In <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>, we present numerical simulations confirming the creation of <italic>N</italic>&#x20;vortices for a squeezed input state containing <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> photons. In <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>, we present analytical and numerical derivations for the photon-number distribution of the resulting quadrature vortex states, revealing super-Poissonian photon statistics. Finally, in <xref ref-type="sec" rid="s7">Section 7</xref>, we present our conclusions.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2&#x20;2-Mode Photon-Number Squeezed State</title>
<p>Consider a truncated two-mode photon-number squeezed state, produced by SPDC, in the Fock state representation of the form [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are modes labels, <italic>D</italic> is a normalization factor and <italic>r</italic> is the squeezing parameter. In what follows, we consider <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The wave-vector and polarization for each mode will be determined by the specific type of SPDC process and configuration being used. For example, in the case of non-collinear type-I SPDC, the two modes would correspond to distinct directions governed by the wave-vectors of signal and idler photons. In order to keep our description as general as possible, we do not limit to a particular SPDC process.</p>
<p>To obtain a quadrature representation of the wavefunction for the state in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>, we use the standard representation of Fock states (<inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in the position basis (<inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) which, up to a scaling factor, is equivalent to the Hermite-Gauss polynomial of order <italic>n</italic>, of the form <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. A 2D representation can be obtained by ascribing orthogonal bases (<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) to each mode, where <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the eigenvectors of the quadrature operators <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with eigenvalues <italic>x</italic> and <italic>y</italic>, respectively. Here (<inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) are annihilation operators for the two modes <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. In this notation, the two-mode photon-number states <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be written in the quadrature representation as <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. Using these expressions, the two-mode photon-number squeezed input state <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has a quadrature representation of the form <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m28">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The quadrature representation of the input state <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1B</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1C</xref>. Such quadrature representation reveals a Gaussian profile, with no vortices or singularities for squeezing parameter <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that the quadrature profile is not equivalent to the transverse profile&#x20;of the beam, since <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are quadrature operators, not transvese coordinates. Moreover, the plots in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1B,C</xref> correspond to the quadrature representation of&#x20;the wavefunction of the input state <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is not equivalent to the Wigner function in phase space. The photon-number distribution for the input state <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be calculated obtaining the well known sub-Poissonian quantum statistics. Tracing over one mode we obtain <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Photon-number distributions for different values of the squeezing parameter <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are displayed in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1D</xref>, revealing thermal statistics when tracing over one mode, while the overall photon-number statistics for the 2-mode squeezed states is sub-Poissonian.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Two-mode photon-number squeezed input state <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(B,C)</bold> Quadrature representation of input state (not Wigner function) displaying a Gaussian profile with no vortices or singularities, for squeezing parameter <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(D)</bold> Photon-number distribution for different values of squeezing parameter <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, revealing thermal statistics by tracing over one mode (see text for details).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-690721-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Quadrature Rotation</title>
<p>The photon-number squeezed state depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> displays a standard Gaussian profile in the quadratures <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with no topological charges or phase singularities. In order to imprint a vortex in the quadratures <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we introduce a rotation <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by an angle &#x3d5;, represented by a unitary operator of the form:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are creation and destruction operators for modes <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which satisfy the standard commutation rules <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Interestingly, <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is mathematically equivalent to the unitary operator describing the action of a beam splitter in Fock space [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], therefore it can be easily implemented in the laboratory.</p>
<p>The input state transformed under the unitary operator <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> :<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>which represents a rotation of the quadrature by an angle &#x3d5;. In the Heisenberg picture, considering standard commutation rules for creation and annhiliation operators, we obtain the following expression (see <xref ref-type="app" rid="app1">
<bold>Appendix A</bold>
</xref>):<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m53">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By a binomial expansion in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref> we obtain:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m54">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <italic>D</italic> is the normalization factor. The coefficients in the sums are of the form <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> takes the form (see <xref ref-type="app" rid="app1">
<bold>Appendix A</bold>
</xref>):<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>In order to observe the action of the rotation <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the quadratures we turn to the quadrature representation of the transformed ket <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4&#x20;Laguerre-Gauss Mode Expansion</title>
<p>The quadrature representation of the rotated state <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m62">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are Hermite-Gauss polynomials of order <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
<p>It is well known that Hermite-Gauss (HG) modes with spatial dependence <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may become a single Laguerre-Gauss (LG) mode of order <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> provided a phase change of <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the mode profile is achieved [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Such Laguerre-Gauss mode is associated with a quadrature vortex number of <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>].</p>
<p>By choosing the rotation parameter <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we may obtain the required phase change to convert the Hermite-Gauss modes into a single Laguerre-Gauss mode. By relabeling the indices <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we note the quadrature profile can be written as a sum of products of HG modes of the form <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Selecting <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the quadrature profile can be written in terms of LG modes of the form <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thus resulting in a superposition of LG modes of order <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the quadrature representation.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Numerical Results</title>
<p>To explore the resulting mode-profile in the quadrature <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we performed numerical simulations for a superposition of LG modes of the form:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m79">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where <italic>r</italic> is the squeezing parameter and the coefficients take the form <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>We performed numerical simulations in the quadrature for different values of squeezing parameter <italic>r</italic>, and different values of photon-number <italic>N</italic>. The results are depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>. The main result we observe is that, for a sufficiently small squeezing parameter <italic>r</italic>, the resulting quadrature profile exhibits <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vortices for an input state with <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> photons <italic>per mode</italic>. In this way, we have mapped the reduced uncertainty in photon-number in Fock space, to a reduced uncertainty in vortex-number in the quadrature.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>3D plots of amplitude <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for resulting Laguerre-Gauss mode in the quadrature representation, depicting the impact of the squeezing parameter <italic>r</italic> on the formation of vortices, for different values of squeezing parameter <italic>r</italic> and total photon-number <italic>N</italic>. Insets correspond to phase profiles <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for resulting Laguerre-Gauss mode revealing vortices or singularities in the quadratures (not in the transverse profile of the beam). <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(E)</bold> <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(F)</bold> <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As the squeezing parameter decreases, the formation of <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vortices in the quadratures becomes apparent (see text for details).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-690721-g002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Phase profile <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of resulting Laguerre-Gauss quadrature representation for a squeezing parameter <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, exploring the impact of the photon-number (<inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> per mode) in the formation of vortices. Insets correspond to amplitude plots <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The numerical results confirm creation of <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vortices for N total input photons. <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(E)</bold> <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(F)</bold> <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> input photons per mode (see text for details).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-690721-g003.tif"/>
</fig>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Dependence on Squeezing Parameter <italic>r</italic>
</title>
<p>In order to better understand the impact of the squeezing parameter <italic>r</italic> in the formation of vortices in the quadrature, we performed numerical simulations for different squeezing parameters, and for different total number of photons <italic>N</italic>. This is displayed in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A&#x2013;F</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref> left column corresponds to&#x20;<inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> total photon number and right column corresponds to <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> total number of photons. Different rows in decreasing order correspond to squeezing parameters <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Numerical simulations clearly reveal that vortices are formed as <italic>r</italic> decreases, thus as the uncertainty in photon-number decreases, as expected. Thus confirming that the reduced uncertainty in Fock space is mapped to reduced uncertainty in vortex number, in the quadrature.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Dependence on Photon-Number <italic>N</italic>
</title>
<p>To confirm the viability of generation of high-order vortex states in the quadratures we performed numerical simulations for larger total number of photons (<inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). This is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>, for a squeezing parameter <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3A&#x2013;F</xref> display plots of phase profile associated with <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, calculated <italic>via</italic> <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tan</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2111;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211c;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3,4,5,6,7,8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> input photons per mode, further confirming the azymuthal charge and vorticity in quadrture space increases with the number of photons. Insets display 3D plots of mode amplitude <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As predicted, in all cases the number of vortices is equal to thel number of photons per mode <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the initial 2-mode photon-number squeezed state containing <italic>N</italic> photons, thus confirming the mapping of photon-number in Fock space to quadrature vortex-number in quadrature.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6&#x20;Photon-Number Distribution of Quadrature Vortex States</title>
<p>The generation of vortices in the quadrature can be considered an interference effect arising from photon-number fluctuations, therefore it is expected that the photon-number distribution should be modified for <bold>quadrature</bold> vortex states. To further confirm that photon-number fluctuations are mapped into interference effects in the quadratures, resulting in the emergence of vortices, for a two-mode photon-number squeezed input state, we calculated the photon-number distribution for&#x20;the resulting vortex states <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using orthogonality of Fock states, the sums in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> collapse into a single sum, of the form:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>tanh</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref> reveals the photon-number fluctuations which give rise to the emergence of vortices. Numerical results for the photon-number distributions of quadrature vortex states are presented in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>, confirming the predicted photon-number fluctuations and super-Poissonian statistics.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Photon-number statistics <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for quadrature vortex states considering <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a truncation parameter given by <italic>N</italic> photons <italic>per mode</italic>. Left column <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, right column <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Different rows correspond to squeezing parameters <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(E)</bold> <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(F)</bold> <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The photon-number fluctuations due to quadrature vortex formation is revealed (see text for details).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-690721-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Numerical simulations of photon-number statistics <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for quadrature vortex states, taking <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and a truncation parameter given by <italic>N total photons</italic> in the two-mode state, for a rotation parameter <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Numerical results are displayed in Panel 5 for: <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The photon-number distribution peaks at <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-690721-g005.tif"/>
</fig>
<p>In order to further illustrate the photon-number imbalance between the two modes, introduced by the rotation in the quadratures, we performed numerical simulations for the two-mode photon number distribution <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for vortex states, taking <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a truncation parameter of <italic>N total</italic> photons in the two-mode state, for a rotation parameter <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Numerical results for different squeezing parameter values are displayed in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>: (a) <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, (b) <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, (c) <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, (d) <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a sufficiently large squeezing parameter, the photon-number distribution peaks for <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Discussion</title>
<p>We presented a scheme for generation of high-order quadrature vortex states starting from a two-mode photon-number squeezed state generated <italic>via</italic> the non-linear process of Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC). By applying a parametric rotation in the quadratures <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using a &#x3d5; converter, the quadrature representation of the photon-number squeezed input state is transformed into a high-order <bold>quadrature</bold> vortex state, with <italic>N</italic> vortices, for an input state containing <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> photons, thus mapping the fluctuations in photon-number to interference effects in the quadrature as depicted by optical singularities with zero-point intensity and singular phase. Furthermore, we obtained analytical and numerical expressions for the super-Poissonian photon-number statistics and fluctuations, giving rise to vortex formation in the quadratures.</p>
<p>Vortex states are customarily generated using various tools, such as Dove prisms, spiral plates, fork holograms, or astigmatic mode converters such as a cylindrical lenses. The important distinction is that these operations act on the transverse profile of the input beam. In the context of the present article, the rotation is performed on the quadrature representation of the state, which can be readily implemented in the lab by a balanced beam splitter. A key application of our&#x20;scheme is in generation of two-mode photon-number squeezed states from two-mode quadrature vortex states, by implementing the inverse protocol.</p>
<p>Our scheme has the potential of exploiting the advantages of optical vortices, such as high dimensionality and topological properties, for quantum applications requiring squeezed uncertainty beyond the SQL limit (<inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), such as quantum cryptography, quantum metrology and quantum sensing [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>].</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The data and numerical codes are available upon request.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Author Contributions</title>
<p>GP and AB conceived the idea and performed analytical derivations. GP and AB performed numerical simulations. GP wrote the manuscript. All authors provided critical feedback and helped shape the research, analysis and manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Funding</title>
<p>GP acknowledges financial support <italic>via</italic> grants PICT Startup 2015&#x20;0710 and UBACyT PDE&#x20;2017.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Loudon</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The Quantum Theory of Light</source>. <edition>3rd ed</edition>. <publisher-loc>Oxford, United Kingdom</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name> (<year>2000</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>L-A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kimble</surname>
<given-names>HJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Precision Measurement beyond the Shot-Noise Limit</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1987</year>) <volume>59</volume>:<fpage>278</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.59.278</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Walther</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>J-W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspelmeyer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ursin</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gasparoni</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>De Broglie Wavelength of a Non-local Four-Photon State</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2004</year>) <volume>429</volume>:<fpage>158</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature02552</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McKenzie</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shaddock</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClelland</surname>
<given-names>DE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buchler</surname>
<given-names>BC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>PK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental Demonstration of a Squeezing-Enhanced Power-Recycled Michelson Interferometer for Gravitational Wave Detection</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2002</year>) <volume>88</volume>:<fpage>231102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.88.231102</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goda</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miyakawa</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mikhailov</surname>
<given-names>EE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saraf</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Adhikari</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>McKenzie</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>A Quantum-Enhanced Prototype Gravitational-Wave Detector</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2008</year>) <volume>4</volume>:<fpage>472</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys920</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ourjoumtsev</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tualle-Brouri</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Laurat</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grangier</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generating Optical Schr&#x00F6;dinger Kittens for Quantum Information Processing</article-title>. <source>Science</source> (<year>2006</year>) <volume>312</volume>:<fpage>83</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1122858</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vahlbruch</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chelkowski</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hage</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Franzen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Danzmann</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schnabel</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Demonstration of a Squeezed-Light-Enhanced Power- and Signal-Recycled Michelson Interferometer</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2005</year>) <volume>95</volume>:<fpage>211102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.95.211102</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wagner</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Janousek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Delaubert</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zou</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harb</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Treps</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Entangling the Spatial Properties of Laser Beams</article-title>. <source>Science</source> (<year>2008</year>) <volume>321</volume>:<fpage>541</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1159663</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jain</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huisman</surname>
<given-names>SR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bimbard</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lvovsky</surname>
<given-names>AI</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A Bridge between the Single-Photon and Squeezed-Vacuum States</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2010</year>) <volume>18</volume>:<fpage>18254</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.18.018254</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Neergaard-Nielsen</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Melholt Nielsen</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hettich</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Molmer</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Polzik</surname>
<given-names>ES</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2006</year>) <volume>97</volume>:<fpage>083604</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.97.083604</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beijersbergen</surname>
<given-names>MW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spreeuw</surname>
<given-names>RJC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woerdman</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Orbital Angular Momentum of Light and the Transformation of Laguerre-Gaussian Laser Modes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1992</year>) <volume>45</volume>:<fpage>8185</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.45.8185</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krenn</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Handsteiner</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fink</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fickler</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ursin</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malik</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Twisted Light Transmission over 143 Km</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2016</year>) <volume>113</volume>:<fpage>13648</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1612023113</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paterson</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacDonald</surname>
<given-names>MP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arlt</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sibbett</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bryant</surname>
<given-names>PE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dholakia</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Controlled Rotation of Optically Trapped Microscopic Particles</article-title>. <source>Science</source> (<year>2001</year>) <volume>292</volume>:<fpage>912</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1058591</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fazal</surname>
<given-names>IM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahmed</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Terabit Free-Space Data Transmission Employing Orbital Angular Momentum Multiplexing</article-title>. <source>Nat Photon</source> (<year>2012</year>) <volume>6</volume>:<fpage>488</fpage>&#x2013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphoton.2012.138</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tian</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gu</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Resolution and Contrast Enhancement of Subtractive Second Harmonic Generation Microscopy with a Circularly Polarized Vortex Beam</article-title>. <source>Sci Rep</source> (<year>2015</year>) <volume>5</volume>:<fpage>13580</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep13580</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fickler</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lapkiewicz</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Plick</surname>
<given-names>WN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krenn</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schaeff</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ramelow</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Entanglement of High Angular Momenta</article-title>. <source>Science</source> (<year>2012</year>) <volume>338</volume>:<fpage>640</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1227193</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korobchevskaya</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peres</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Antipov</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sheppard</surname>
<given-names>CJR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Diaspro</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Intensity Weighted Subtraction Microscopy Approach for Image Contrast and Resolution Enhancement</article-title>. <source>Sci Rep</source> (<year>2016</year>) <volume>6</volume>:<fpage>25816</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep25816</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Emile</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Emile</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Naked Eye Picometer Resolution in a Michelson Interferometer Using Conjugated Twisted Beams</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>42</volume>:<fpage>354</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.42.000354</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fickler</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buchler</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>PK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Entanglement of Angular Momentum States with Quantum Numbers up to 10,010</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2016</year>) <volume>113</volume>:<fpage>13642</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1616889113</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Padgett</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Orbital Angular Momentum 25&#x20;Years on [Invited]</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2017</year>) <volume>25</volume>:<fpage>11265</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.25.011265</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Caves</surname>
<given-names>CM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Milburn</surname>
<given-names>GJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schleich</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Photon Statistics of Two-Mode Squeezed States and Interference in Four-Dimensional Phase Space</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1991</year>) <volume>43</volume>:<fpage>3854</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.43.3854</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karimi</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boyd</surname>
<given-names>RW</given-names>
</name>
<name>
<surname>de la Hoz</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Guise</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>&#x0158;eh&#x00E1;&#x010D;ek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hradi</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Radial Quantum Number of Laguerre-Gauss Modes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2014</year>) <volume>89</volume>:<fpage>8185</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.89.063813</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nienhuis</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Angular Momentum and Vortices in Paraxial Beams</article-title>. <source>J&#x20;Opt A: Pure Appl Opt</source> (<year>2004</year>) <volume>6</volume>:<fpage>S248</fpage>&#x2013;<lpage>S250</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1464-4258/6/5/020</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Agarwal</surname>
<given-names>GS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puri</surname>
<given-names>RR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>RP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Vortex States for the Quantized Radiation Field</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1997</year>) <volume>56</volume>:<fpage>4207</fpage>&#x2013;<lpage>15</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.56.4207</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nienhuis</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Angular Momentum and Vortices in Paraxial Beams</article-title>. <source>J&#x20;Opt A: Pure Appl Opt</source> (<year>2004</year>) <volume>6</volume>:<fpage>S248</fpage>&#x2013;<lpage>S250</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1464-4258/6/5/020</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sanchez-Soto</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klimov</surname>
<given-names>AB</given-names>
</name>
<name>
<surname>de la Hoz</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigas</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>&#x0158;eh&#x00E1;&#x010D;ek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hradil</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <source>Phys Rev A</source> (<year>2013</year>) <volume>88</volume>:<fpage>053839</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.88.053839</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hemsing</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knyazik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dunning</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiang</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marinelli</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hast</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Coherent Optical Vortices from Relativistic Electron Beams</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>9</volume>:<fpage>549</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2712</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mair</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vaziri</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weihs</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement of the Orbital Angular Momentum States of Photons</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2001</year>) <volume>412</volume>:<fpage>313</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35085529</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oemrawsingh</surname>
<given-names>SSR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aiello</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eliel</surname>
<given-names>ER</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nienhuis</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woerdman</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>.&#x20;<article-title>How to Observe High-Dimensional Two-Photon Entanglement with Only Two Detectors</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2004</year>) <volume>92</volume>:<fpage>217901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.92.217901</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marrucci</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karimi</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Slussarenko</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Piccirillo</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Santamato</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nagali</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Spin-to-orbital Conversion of the Angular Momentum of Light and its Classical and Quantum Applications</article-title>. <source>J&#x20;Opt</source> (<year>2011</year>) <volume>13</volume>:<fpage>064001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2040-8978/13/6/064001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Molina-Terriza</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rebane</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Torres</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Torner</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carrasco</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>J&#x20;Eur Opt Soc</source> (<year>2007</year>) <volume>2</volume>:<fpage>07014</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2971/jeos.2007.07014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karimi</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Santamato</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Radial Coherent and Intelligent States of Paraxial Wave Equation</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>37</volume>:<fpage>2484</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.37.002484</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="other">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Plick</surname>
<given-names>WN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lapkiewicz</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ramelow</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Forgotten Quantum Number: A Short Note on the Radial Modes of Laguerre-Gauss Beams</article-title>. <source>arXiv:1306.6517</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Salomaa</surname>
<given-names>MM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Volovik</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantized Vortices in superfluidHe3</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>1987</year>) <volume>59</volume>:<fpage>533</fpage>&#x2013;<lpage>613</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.59.533</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>LundeenBranderhorst</surname>
<given-names>JSM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coldesstrodt-Ronge</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walmsley</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2009</year>) <volume>102</volume>:<fpage>080404</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.102.080404</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Datta</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eisert</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Plenio</surname>
<given-names>MB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walmsley</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement Quantification from Incomplete Measurements: Applications Using Photon-Number-Resolving Weak Homodyne Detectors</article-title>. <source>New J&#x20;Phys</source> (<year>2010</year>) <volume>12</volume>:<fpage>033042</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/12/3/033042</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Waldherr</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neumann</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Balasubramanian</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wrachtrup</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Scientific Rep</source> (<year>2014</year>) <volume>4</volume>:<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep04677</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aiello</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Voigt</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woerdman</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2007</year>) <volume>75</volume>:<fpage>032319</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.75.032319</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colangelo</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sewell</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mitchell</surname>
<given-names>MW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Planar Squeezing by Quantum Non-demolition Measurement in Cold Atomic Ensembles</article-title>. <source>New J&#x20;Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>15</volume>:<fpage>103031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/15/10/103031</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moulieras</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lewenstein</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement Engineering and Topological protection by Discrete-Time Quantum Walks</article-title>. <source>J&#x20;Phys B: Mol Opt Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>46</volume>:<fpage>104005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0953-4075/46/10/104005</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Takayama</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puentes</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Enhanced Spin Hall Effect of Light by Transmission in a Polymer</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>43</volume>:<fpage>1343</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.43.001343</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>APPENDIX A</title>
<p>The starting point of the derivation is <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, which defines a <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mode converter:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the bosonic mode operators acting on orthogonal modes and follow regular bosonic commutation relations. Also, let us consider the initial state of the two mode system to be the following<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>The above describes a general two-mode state in the Fock basis with total number of particles <italic>N</italic> distributed between the two modes. Now <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> can be written in terms of the mode operators as follows<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where it is understood that the operator <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> acts on mode <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We want to find how the state <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> transforms under the action of <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moving to the Heisenberg picture, the mode operators <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> evolve under <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>Using the Baker-Hausdorff lemma, we can write <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref> as follows<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>Solving for the commutators, we see that <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and. Plugging these values back into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>, we see that we can group the terms as<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m181">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>Now for a <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mode converter, we put <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> resulting in the transformation<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>and similarly for <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> is transformed to<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>under the effect of the <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mode converter. It is understood in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> that factors <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have been absorbed into <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> follows from here by a binomial expansion of the&#x20;terms.</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>