<?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">896596</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.896596</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>Giant-Cavity-Based Quantum Sensors With Enhanced Performance</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Zhu et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Giant-Cavity-Based Quantum Sensors</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Y. T.</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="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1719167/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1126911/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>Z. H.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff5">
<sup>5</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1449081/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>Shibei</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="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1579449/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Automation</institution>, <institution>Shanghai Jiao Tong University</institution>, <addr-line>Shanghai</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Key Laboratory of System Control and Information Processing</institution>, <institution>Ministry of Education of China</institution>, <addr-line>Shanghai</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Shanghai Engineering Research Center of Intelligent Control and Management</institution>, <addr-line>Shanghai</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Department of Automation</institution>, <institution>Center for Intelligent and Networked Systems</institution>, <institution>Tsinghua University</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff5">
<sup>5</sup>
<institution>Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Structures and Quantum Control of Ministry of Education</institution>, <institution>Key Laboratory for Matter Microstructure and Function of Hunan Province</institution>, <institution>Department of Physics and Synergetic Innovation Center for Quantum Effects and Applications</institution>, <institution>Hunan Normal University</institution>, <addr-line>Changsha</addr-line>, <country>China</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/167671/overview">Andrew D. Greentree</ext-link>, RMIT University, Australia</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/293453/overview">Qing Ai</ext-link>, Beijing Normal University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/462356/overview">Yin Cai</ext-link>, Xi&#x2019;an Jiaotong University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Shibei Xue, <email>shbxue@sjtu.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Quantum Engineering and Technology, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>27</day>
<month>06</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>896596</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>02</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Zhu, Wu, Peng and Xue.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Zhu, Wu, Peng and Xue</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 terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Recent progress has revealed that quantum systems with multiple position-dependent couplings, e.g., giant atoms, can exhibit some unconventional phenomena, such as non-exponential decay. However, their potential applications are still open questions. In this paper, we propose a giant-cavity-based quantum sensor for the first time, whose performance can be greatly enhanced compared to traditional cavity-based sensors. In our proposal, two cavities are coupled to a dissipative reservoir at multiple points while they couple to a gain reservoir in a single-point way. To detect an unknown parameter entering the sensor, a waveguide is coupled to one of the cavities where detecting fields can pass through for homodyne detection. We find that multiple position-dependent couplings can induce an inherent non-reciprocal coupling between the cavities, which can enhance the performance of sensors. Compared to the results in the work of Lau and Clerk, (Nat Commun, 2018, 9: 4,320), our output noise can remain at the shot noise level, which is about one order of magnitude lower. In addition, the signal-to-noise ratio per photon is also enhanced by about one order of magnitude. These results showed that the multiple-point coupling structure is beneficial to existing quantum devices.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>giant cavities</kwd>
<kwd>quantum sensors</kwd>
<kwd>SNR (signal-to-noise ratio)</kwd>
<kwd>non-Markovian quantum systems</kwd>
<kwd>quantum metrology</kwd>
<kwd>waveguide quantum electrodynamics</kwd>
<kwd>homodyne detection</kwd>
<kwd>position-dependent coupling</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">61873162 61973317</contract-num>
<contract-num rid="cn002">ICT2022B47</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Natural Science Foundation of China<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001809</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Zhejiang University<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100004835</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>High-precision measurement of physical quantities lies in the core of metrology, e.g., gravitational wave detection [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], nano-particle detection [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], thermal sensing [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], navigation [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], and magnetometers [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. Towards fundamental detection limits in weak-signal measurements, non-reciprocity [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] has become a powerful resource [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. Since reciprocity is hard to break due to Lorentz theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], many methods have been proposed for inducing non-reciprocity, for example, biasing with odd-symmetric quantities under time reversal [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], steering systems into exceptional points [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], constructing directional couplings [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], employing asymmetric or non-linear elements [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], or breaking the time-invariance of systems [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>].</p>
<p>Recent progress on quantum systems with multiple-point couplings (e.g., giant atoms [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]) provides a new possibility to acquire non-reciprocity. For example, when several giant atoms couple to a common reservoir, an indirect coupling among atoms can be built up via the shared reservoir. This indirect coupling depends on the arrangements of atoms and the relative phase between coupling points [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]. Therefore, one can construct an effective directional coupling between atoms by tuning the relative phase and adjusting the arrangements. It should be noticed that the non-reciprocity realized in this way is an inherent property of the system and it can be totally tuned by the relative phase, such that this method of acquiring non-reciprocity requires no other non-linear elements such as Faraday rotators [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] or Josephson parametric converters [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>], and thus, it is easy to be integrated into an on-chip structure and flexible in experiments.</p>
<p>In this study, we propose a quantum sensor consisting of two giant cavities, where two coupled cavities couple to reservoirs at multiple points. We find that an inherent non-reciprocal coupling between cavities can be built up through a shared reservoir. Compared with the small-cavity-based structures in [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], i.e., cavities couple to reservoirs at a single point, the signal-to-noise ratio in our proposal can be improved by one order of magnitude. The study is organized as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, we propose the theoretical model of the quantum sensor, including the Hamiltonian and equations of motion. Following the standard frame [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], we propose the performance indicator of sensors in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, including signal, output noise, and signal-to-noise ratio per photon. The comparison with the sensor made up of small cavities is shown in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>. Finally, further discussion and conclusion are given in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Model of Gaint-Cavity-Based Quantum Sensor</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Hamiltonian</title>
<p>Generally speaking, a quantum sensor means the sensor utilizing quantum resources, such as quantum devices, quantum states, quantum effects, etc. [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>]. In [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], a paradigm in designing quantum sensors is proposed that several coupled cavities couple to a gain reservoir and a dissipative reservoir at a single point. Illuminated by this paradigm, the sensor we considered consists of a coupled double-cavity interacting with two reservoirs. The first cavity is coupled to a dissipative reservoir at <italic>x</italic>
<sub>1</sub> and <italic>x</italic>
<sub>2</sub>, and the second cavity is coupled to it at <italic>x</italic>
<sub>3</sub> and <italic>x</italic>
<sub>4</sub>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. On the contrary, a gain reservoir couples to both cavities at the same point. In addition, a classical pump <italic>&#x3b2;</italic> with a noise input <italic>B</italic>
<sub>in</sub> enters the readout waveguide which only couples to the cavity 1, and its reflected field <italic>B</italic>
<sub>out</sub> is measured by homodyne detection. This model can be realized by superconducting quantum circuits, i.e., two <italic>LC</italic> resonators couple to three waveguides, where one of the waveguides is used for readout and the others are used as reservoirs. According to the model, the total Hamiltonian reads<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e2a">
<mml:math id="m2">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ij</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2b">
<mml:math id="m3">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2c">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2c)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Schematic of the two giant-cavity quantum sensor. Both cavities couple to a dissipative reservoir at multiple points, i.e., <italic>x</italic>
<sub>1</sub> and <italic>x</italic>
<sub>2</sub> for cavity 1 (denoted by annihilation operator <italic>a</italic>
<sub>1</sub>), <italic>x</italic>
<sub>3</sub> and <italic>x</italic>
<sub>4</sub> for cavity 2 (denoted by operator <italic>a</italic>
<sub>2</sub>). The distance between the two points for one cavity is sufficiently large, which induces non-negligible time delays, such that it forms two giant cavities. As a result, the couplings between cavities and dissipative reservoir are position-dependent. On the contrary, both cavities couple to the gain reservoir at the same point. Also, a classical pump with an amplitude <italic>&#x3b2;</italic> and a noise input <italic>B</italic>
<sub>in</sub> is injected into the readout waveguide which only couples to the cavity 1. Its reflected field <italic>B</italic>
<sub>out</sub> is measured by homodyne detection. Initially, both reservoirs and the waveguide are prepared in the vacuum state. This sensor can reflect the external perturbation <italic>&#x25b;</italic> from the variations of the output <italic>B</italic>
<sub>out</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g001.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e2a">Equation 2a</xref> describes the free Hamiltonian of the two cavities, the readout waveguide, the gain and dissipative reservoirs with bosonic annihilation operators <italic>a</italic>
<sub>i</sub>, <italic>b</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, <italic>c</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, and <italic>d</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, respectively. Here, we have assumed that the perturbation <italic>&#x25b;</italic> is small enough such that <italic>H</italic>
<sub>ij</sub> [<italic>&#x25b;</italic>] has a linear form<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>1</sup>
</xref> [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m5">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ij</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ij</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ij</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m6">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ij</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the unperturbed part of the coupled cavities and <italic>V</italic>
<sub>ij</sub> denotes the coupling of perturbation <italic>&#x25b;</italic> on the cavities. The first term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2b">Eq. 2b</xref> represents a classical pump <italic>&#x3b2;</italic> with a driving frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>L</italic>
</sub> and a coupling strength <italic>&#x3ba;</italic> that enters cavity 1 through the readout waveguide. The second term denotes the interaction between cavity 1 and the readout waveguide, which yields a noise input <italic>B</italic>
<sub>in</sub> to the cavity, as shown later. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2c">Eq. 2c</xref> describes couplings between the cavities and the reservoirs with strengths <italic>Y</italic>
<sub>i</sub> and <italic>Z</italic>
<sub>i</sub>, respectively. Notably, the position-dependent phase <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m7">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> (<italic>m</italic> &#x3d; 1, 2, 3, 4) with a wave vector <italic>k</italic> is introduced by the multi-point couplings.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Langevin Equations</title>
<p>For the sake of sensing, we analyze how the output varies when the perturbation <italic>&#x25b;</italic> acts on the sensor, which can be done with the quantum Langevin equation. Before we proceed, we assume that the coupling points are equally spaced, i.e., <italic>d</italic> &#x3d; <italic>x</italic>
<sub>2</sub> &#x2212; <italic>x</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>x</italic>
<sub>3</sub> &#x2212; <italic>x</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; <italic>x</italic>
<sub>4</sub> &#x2212; <italic>x</italic>
<sub>3</sub>. For simplicity, we let <italic>x</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 0. Also, the linear dispersion relation holds in the dissipative reservoir, i.e., <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>d</italic>,<italic>k</italic>
</sub> &#x3d; <italic>v</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub>
<italic>k</italic> with <italic>v</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub> being the group velocity [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>]. With the abovementioned assumptions, the equations of motion for two cavities take the form<disp-formula id="e3a">
<mml:math id="m8">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3b">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dir</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3b)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e4a">
<mml:math id="m10">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4b">
<mml:math id="m11">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4c">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4d">
<mml:math id="m13">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4d)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4e">
<mml:math id="m14">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dir</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4e)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4f">
<mml:math id="m15">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4f)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4g">
<mml:math id="m16">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4g)</label>
</disp-formula>with <italic>&#x3c4;</italic> &#x3d; <italic>d</italic>/<italic>v</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub> being the time delay between the two neighboring points. Here, <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the slowly-varying operator. Also,<disp-formula id="e5a">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5b">
<mml:math id="m19">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5c">
<mml:math id="m20">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(5c)</label>
</disp-formula>are the inputs for the readout waveguide, gain, and dissipative reservoirs, respectively. In addition, the input-output relation for the field in the readout waveguide is given by<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>is the output field in the waveguide at a final time <italic>t</italic>
<sub>1</sub>.</p>
<p>Using Fourier transformation, the delayed differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e3a">Eqs. 3a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e3b">3b</xref> can be solved as<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m23">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m25">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <italic>I</italic> denotes a 2 &#xd7; 2 identity matrix and <italic>&#x3c7;</italic>[<italic>&#x3c9;</italic>; <italic>&#x25b;</italic>] is the dimensionless state transfer matrix. Operators with a bar <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the Fourier transformation of the corresponding operators in the frequency domain. The diagonal terms in the gain matrix (9) and dissipative matrix (10) describe decays to the reservoirs, while the off-diagonal terms represent indirect couplings between the two cavities induced by the shared reservoir. Different from <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. 9</xref>, the non-Hermitianity of <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eq. 10</xref> shows that the arrangement of the giant cavities can induce a non-reciprocal coupling <italic>a</italic>
<sub>1</sub> &#x2192; <italic>a</italic>
<sub>2</sub> which results from the delayed coupling term <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m29">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dir</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>(4e). This non-reciprocal coupling means that the cavity 2 can affect the excitation of the cavity 1, but not vice-versa. The reasons lie in that: for the cavity 1, the interaction provided by the cavity 2 occurs at a later time, such that the dynamics of the cavity 1 does not include this interaction at the current time. However, for the cavity 2, the interaction provided by the cavity 1 comes from a previous moment, such that the dynamics of the cavity 2 preserves this interaction at the current moment. Or equivalently from a steady-state viewpoint, the time-delay property makes the exchange of photons between two cavities via the shared reservoir unidirectional, i.e., the <italic>a</italic>
<sub>1</sub> &#x2192; <italic>a</italic>
<sub>2</sub> exchange is allowed but the <italic>a</italic>
<sub>2</sub> &#x2192; <italic>a</italic>
<sub>1</sub> exchange is forbidden. It should be noticed that this directional coupling is an inherent delay effect and thus it does not involve interferences between cavities. Therefore, our proposal requires no other non-linear elements in acquiring non-reciprocity, e.g., Faraday rotators [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] and Josephson parametric converters [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. In addition, the delayed differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e3a">Eqs. 3a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e3b">3b</xref> indicate a non-Markovian effect, i.e., the dynamics of the system depends on a moment in the past. In the frequency domain, the non-Markovian effect behaves as the dependence of the matrix <italic>D</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub> on the driving frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>L</italic>
</sub>. These two forms of non-Markovian effect are connected with the spatial non-locality resulting from the multiple-point couplings [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]. Another change induced by the arrangement lies in the last term of the input matrix (11), where exponents describe delayed inputs. Similarly, the input-output relation (6) in the frequency domain reads<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m30">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We have provided a description of our sensor in the Heisenberg picture. From the above derivation, we can investigate how the unknown parameter affects the output of the detecting field. Different from the existing sensors, the dynamics of our sensor involve non-reciprocity induced by time-delayed terms which would improve the performance of the sensor.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Performance Evaluation of the Sensor</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Homodyne Detection</title>
<p>As we have introduced, our sensor employs homodyne detection to extract the perturbation, where the photon current of the output field<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>is measured. All the information of <italic>&#x25b;</italic> is contained in the real part of <italic>e</italic>
<sup>
<italic>i&#x3c6;</italic>
</sup>
<italic>B</italic>
<sub>out</sub> [<italic>t</italic>]. Note that the current is measured in a steady-state of the system such that we can evaluate the response of the system to the perturbation at the zero frequency; i.e., <italic>&#x3c9;</italic> &#x3d; 0. Also, for small <italic>&#x25b;</italic>, the expectation value of the output is assumed to be in a linear response to <italic>&#x25b;</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], i.e.,<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m32">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where &#x27e8;&#x22c5;&#x27e9;<sub>
<italic>z</italic>
</sub> denotes taking expectations at <italic>&#x25b;</italic> &#x3d; <italic>z</italic>. Using this relation, the response coefficient <italic>&#x3bb;</italic> reads<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m33">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>whose phase <italic>&#x3c6;</italic> &#x3d; &#x2212; arg&#x2009; &#x3bb; determines the angle in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Signal, Noise, and Signal-to-Noise Ratio per Photon</title>
<p>To estimate the performance of the sensor, we further define a measurement operator <italic>m</italic>[<italic>&#x3c9;</italic>] as the windowed Fourier transformation of current <italic>I</italic> [<italic>t</italic>], i.e.,<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m34">
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where the segment <italic>T</italic> should be much greater than 1/<italic>&#x3ba;</italic> such that the sensor can reach the steady states during the measurement window. Under this condition, the integral limits can be extended to &#xb1;<italic>&#x221e;</italic>. Notably, this definition of <italic>m</italic>[<italic>&#x3c9;</italic>] makes it have a unit of <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m35">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>].</p>
<p>The power associated with the signal can be defined as the square of the difference of measurement operator <italic>m</italic> [0] between the perturbed and unperturbed cases, i.e.,<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m36">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In addition, the total average photon number induced by the classical input can be calculated as<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m37">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where the mean-field approximation [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>] has been used. With this definitaion, the signal per photon can be expressed as<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m38">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where we let <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for brevity.</p>
<p>Similarly, the power of the output noise is defined as the fluctuation of the measurement operator <italic>m</italic> [0] in the unperturbed case; i.e.,<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m40">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m42">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>&#x3b8;</italic>[&#x22c5;] is the Heaviside step function introduced by the semi-defined positivity of the matrix <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. In the derivation, we have assumed that both reservoirs and the waveguide are initially prepared in the vacuum states. Note that the output noise (20) is complex due to the exponent <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m44">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, which is in contrast to Refs. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>]. However, one can define its real part Re(<italic>N</italic>) as the measured noise. The constant part is the so-called shot noise [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], which describes the minimum noise of the sensor. The second term denotes the reflective gain resulting from the gain reservoir. When the sensor has a reflective gain, i.e., <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m45">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, the output noise must be greater than the simple shot noise. Or equivalently speaking, a linear amplification for signal also amplifies the noise. And the third term results from the dissipative noise of the dissipative reservoir.</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eqs. 19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref>, one can obtain the signal-to-noise ratio (SNR) per photon<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m46">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>which is the sensitivity of the sensor. Notably, the state transfer matrix <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is now independent in the perturbation <italic>&#x25b;</italic>, which means that the SNR has a purely parabolic response to the changes of <italic>&#x25b;</italic> for a determined <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Corresponding Results for the Sensor Composed of Two Small Cavities</title>
<p>For comparison, we also consider the sensor made up of two small cavities that couple to the dissipative reservoir in a single-point way. This is a standard model of two-mode quantum sensors [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], which is used as a benchmark. In this case, the second line in interaction Hamiltonian <xref ref-type="disp-formula" rid="e2c">Eq. 2c</xref> is rewritten as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m49">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This induces a modification on <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eq. 10</xref>
<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m50">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>and <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m51">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>and the gain matrix <italic>G</italic>
<sub>
<italic>Y</italic>
</sub> (9) remains the same. Hereafter, we use superscript <italic>S</italic> to label the corresponding quantities of the sensor composed of small cavities.</p>
<p>An interesting fact is that, the third term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> then reduces to <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m52">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> in this case, which is an unavoidable and untunable noise. However, in our proposal, one can adjust <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>L</italic>
</sub> or <italic>&#x3c4;</italic> to eliminate the dissipative noise such that the output noise <italic>N</italic> can remain at a lower level.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Numerical Comparison of Giant vs. Small Sensors</title>
<p>To numerically estimate the performance of the sensor, we set the Hamiltonians <italic>H</italic>
<sup>
<italic>f</italic>
</sup> [0] and <italic>V</italic> as<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m53">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>which describes a common linear coupled-cavity system. For simplicity, we consider that both <italic>Y</italic>
<sub>i</sub> and <italic>Z</italic>
<sub>i</sub> are real. With these specific matrices, one can easily rewrite the state transfer matrix as<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m55">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where &#x394; &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>L</italic>
</sub> &#x2212; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub> and &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub> &#x2212; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>2</sub> are detunings, <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m56">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m57">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> denote the decay rates of the cavities to the reservoirs, and <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub>
<italic>&#x3c4;</italic> is a fixed phase. For numerical simulations, we set &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0 and <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>, which describes a good cavity in the weak coupling regime [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>].</p>
<p>We first plot the frequency responses of the relative signal per photon, noise, and SNR per photon of the sensor made up of two small cavities, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. We find that both the signal per photon and the noise reach the maximum value at the resonant point, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A,B</xref>, but does not the SNR per photon, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2C</xref>. To characterize the influences of the loss <italic>&#x3b3;</italic>, we replot the above quantities as the functions of <italic>&#x3b3;</italic> at the resonant point &#x394; &#x3d; 0, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. Hereafter, we only consider the responses at the resonant point. As the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases, both the signal per photon and the noise gradually increase until reaching their maximum values at <italic>&#x3b3;</italic> &#x2243; 0.65&#x393; and then decrease, shown as the blue and red lines in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. Especially, one can find that the output noise <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup> is always greater than the shot noise in the whole intervals of <italic>&#x3b3;</italic>, which means that the shot noise is a fundamental limit of the output noise. Notably, this result also applies to the sensor made up of giant cavities, and we will discuss it later. Indeed, by rewriting <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> with the replacements <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, it becomes <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m60">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m61">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. One can find that the last two terms respectively representing the reflective gain and the dissipative loss are always greater than or equal to zero, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>. Another point that need to be noticed is a sudden change of SNR per photon occurs when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x393;, as shown in the inset of <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. The reason behind this can be found in the inset of <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, where the reflective gain becomes zero at this point. This is because <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m62">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3e; &#x393;, such that the reflective gain is cut off by the Heaviside function, and thus the output noise includes a non-zero dissipative loss only. This result indicates that the dissipative loss is an inevitable and unadjustable noise in a small-cavity-based proposal.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>(Color online) Frequency responses of the relative signal per photon, noise, and SNR per photon. Parameters in plotting are &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0 and <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>. <bold>(A)</bold> Spectra of the relative signal per photon. The signal reaches the maximum at the resonant point and decreases as the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases. <bold>(B)</bold> Spectra of the relative noise. Similar to <bold>(A)</bold>, the noise reaches the maximum at the resonant point and decreases as the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases. <bold>(C)</bold> Spectra of SNR per photon. SNR per photon does not reach its maximum value at the resonant point.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>(Color online) Relative signal per photon and noise as functions of <italic>&#x3b3;</italic> at the resonant point. Parameters in plotting are: &#x394; &#x3d; &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0, <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>. <bold>(A)</bold> Both signal (blue line) and noise (red line) experience a process of first increase and then decrease, and reach their maximum value at <italic>&#x3b3;</italic> &#x2243; 0.65&#x393;, but SNR (black line in inset) reaches the maximum value at <italic>&#x3b3;</italic> &#x2243; 0.85&#x393;. In addition, the noise <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup> is always greater than the shot noise (Gray dotted line). <bold>(B)</bold> The reflective gain (Blue line, the second term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref>) and the dissipative loss (Red line, the third term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref>) as functions of <italic>&#x3b3;</italic> with the replacement of matrix <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m63">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Inset: the amplified curves of reflective gain. One can clearly see that it is zero when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3e; &#x393;, because the Heaviside function in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> cutoff the parts <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m64">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g003.tif"/>
</fig>
<p>With the previous results, we now turn to the sensor made up of two giant cavities. In contrast to the case we discussed in the last section, the dissipative matrix <italic>D</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub> additionally introduces a degree of freedom of the fixed phase <italic>&#x3d5;</italic> (&#x394;<italic>&#x3c4;</italic> is zero at the resonant point), such that the relative signal per photon, noise, and SNR per photon have a response to <italic>&#x3d5;</italic>, as shown <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> where we also use the same parameters in plotting. Both the signal per photon and the noise experience a process of first increasing and then decreasing as the phase <italic>&#x3d5;</italic> increases, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A,B</xref>. An interesting point is that, thanks to the phase <italic>&#x3d5;</italic>, the output noise can remain at the shot noise level, e.g., <italic>N</italic> &#x2243; 1.12&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.76<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 0.5&#x393; (Blue line), <italic>N</italic> &#x2243; 1.03&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.84<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x393; (Red line) and <italic>N</italic> &#x2243; 1.00&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.89<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393; (Green line), which are about one order of magnitude smaller than <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup>, as shown as the inset in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>, it shows that SNR per photon increases as the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases when <italic>&#x3d5;</italic> &#x2208; [<italic>&#x3c0;</italic>, 2<italic>&#x3c0;</italic>], but indeed, SNR per photon reaches its maximum value at <italic>&#x3b3;</italic> &#x2243; 2&#x393;. <xref ref-type="fn" rid="fn2">
<sup>2</sup>
</xref>As we mentioned in the last section, the shot noise is the fundamental limit of the output noise for any sensor. This result also applies to our giant-cavity-based proposal, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. The reflective gain and dissipative loss cannot simultaneously be zero although they can be zero by adjusting the phase <italic>&#x3d5;</italic>, which also explains why the noise is always greater than the shot noise in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>(Color online) Relative signal per photon, noise, and SNR per photon as the functions of <italic>&#x3d5;</italic> at the resonant point. Parameters in plotting are: &#x394; &#x3d; &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0, <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>. <bold>(A)</bold> The relative signal as the function of <italic>&#x3d5;</italic>. As the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases, the maximum value of the signal decreases; <bold>(B)</bold> The relative noise as the function of <italic>&#x3d5;</italic>. The term &#x201c;SN&#x201d; is the abbreviation for Shot Noise. Similar to <bold>(A)</bold>, the noise also increases as the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases, and it is always greater than the shot noise. However, at some certain <italic>&#x3d5;</italic>, the noise can remain at the shot noise level, e.g., <italic>N</italic> &#x2243; 1.12&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.76<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 0.5&#x393;, <italic>N</italic> &#x2243; 1.03&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.84<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x393; and <italic>N</italic> &#x2243; 1.00&#xa0;at <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.89<italic>&#x3c0;</italic> when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393;. <bold>(C)</bold> The relative SNR per photon as the function of <italic>&#x3d5;</italic>. Similar to <bold>(A)</bold> and <bold>(B)</bold>, SNR per photon also increases as the loss <italic>&#x3b3;</italic> increases.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>(Color online) Reflective gain <bold>(A)</bold> and dissipative loss <bold>(B)</bold> as the functions of <italic>&#x3d5;</italic>. Parameters in plotting are: &#x394; &#x3d; &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0, <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>. Both reflective gain and dissipative loss can be zero at some certain <italic>&#x3d5;</italic> but they cannon be zero simultaneously, which is the reason why the noise is always greater than the shot noise in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g005.tif"/>
</fig>
<p>A clear comparison with the sensor made up of the small cavities is plotted in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. As <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref> shows, the signal per photon of giant-cavity proposal <italic>S</italic>/<italic>n</italic>
<sub>tot</sub> can be about one order of magnitude greater than that of small-cavity proposal <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m65">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, especially when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393; (green line). An interesting point is that Re(<italic>N</italic>) is almost always smaller than <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup> in the entire interval [0, 2<italic>&#x3c0;</italic>] when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x393;, as shown as the red line in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>. This means that our proposal can effectively decrease the output noise by adjusting the parameter <italic>&#x3d5;</italic>, compared to Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. In addition, from the green and blue lines in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A,B</xref>, one can find that both the ratio of signal per photon <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m66">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> and the ratio of noise Re(<italic>N</italic>)/<italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup> are greater than 1&#xa0;at some certain values of <italic>&#x3d5;</italic>, which means both the signal per photon and the noise of the giant-cavity proposal are enhanced compared to the small-cavity proposal. Indeed, this enhancement is led by the non-reciprocal coupling. As we mentioned in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>, the non-reciprocal coupling means that the cavity 1 can affect the excitation of the cavity 2 <italic>via</italic> the shared reservoir but not vice-versa, and thus both the signal per photon and the output noise are amplified by this non-reciprocity since the readout waveguide is coupled to the cavity 1. The mathematical reason lies in that the non-reciprocal state transfer matrix <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> effectively amplifies the element <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> but decrease the element <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m69">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> when <italic>&#x3d5;</italic> &#x2260; (2<italic>k</italic> &#x2b; 1)<italic>&#x3c0;</italic>. Physically, such the amplification and decrease means that the incident photons are transmitted back to cavity 1 rather than stored in cavity 2, with the help of the directional interaction <italic>a</italic>
<sub>2</sub> &#x2192; <italic>a</italic>
<sub>1</sub>. For the signal per photon, this process is equivalent to amplifying the signal <italic>S</italic> but decreasing the total photon number <italic>n</italic>
<sub>tot</sub>; For the output noise Re(<italic>N</italic>), this process amplifies the dissipative loss. One can examine the above results by substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eqs. 25</xref>-<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eqs. 19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref>. Furthermore, although both the signal <italic>S</italic> per photon and the output noise Re(<italic>N</italic>) are enhanced in the interval [<italic>&#x3c0;</italic>, 1.5<italic>&#x3c0;</italic>] when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393; (green lines in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A,B</xref>, respectively), the SNR per photon is much greater than those with other <italic>&#x3b3;</italic>, as shown as the green line in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref>. These results show that the giant-cavity structure is a powerful resource in designing quantum sensors.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>(Color online) The ratios of signal per photon <bold>(A)</bold>, output noise <bold>(B)</bold> and SNR per photon <bold>(C)</bold> between sensors made up of giant and small cavities. Parameters in plotting are: &#x394; &#x3d; &#x394;<sub>12</sub> &#x3d; 0 and <italic>J</italic> &#x3d; &#x393; &#x3d; 0.1<italic>&#x3ba;</italic>. <bold>(A)</bold> For some certain intervals, e.g [<italic>&#x3c0;</italic>, 1.5<italic>&#x3c0;</italic>], the signals <italic>S</italic>/<italic>n</italic>
<sub>tot</sub> are greater than <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m70">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Especially, when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393;, <italic>S</italic>/<italic>n</italic>
<sub>tot</sub> is about one order of magnitude enhanced compared to <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m71">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(B)</bold> By properly adjusting phase <italic>&#x3d5;</italic>, Re(<italic>N</italic>) can be lower than <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup>. In particularly, when <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x393;, Re(<italic>N</italic>) can be almost smaller than <italic>N</italic>
<sup>
<italic>S</italic>
</sup> globally. <bold>(C)</bold> With proper gain and loss, e.g., <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393;, <italic>S</italic>/(Re(<italic>N</italic>)<italic>n</italic>
<sub>tot</sub>) is about one order magnitude greater than <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m72">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These results show that the giant-cavity structure is a powerful resource in designing quantum sensors.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896596-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Conclusion and Future Works</title>
<p>In conclusion, we proposed a quantum sensor consisting of two giant cavities. By coupling cavities to a dissipative reservoir at multiple points, a non-reciprocal interaction can be engineered between the cavities and the common reservoir, which requires no non-linear elements. Compared to the standard two-mode quantum sensor [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], the output noise can remain at the shot noise level, which is reduced by about one order of magnitudes. And the signal-to-noise ratio per photon is also enhanced by about one order of magnitude. These results show that the giant-cavity-based sensor can effectively improve sensing precision.</p>
<p>A future direction is to consider how the non-Markovian effect affects the sensing performance. Since we only consider the cases at the resonant point, such that the non-Markovian effect depending on &#x394;<italic>&#x3c4;</italic> is neglected. However, this degree of freedom plays important roles in the deep non-Markovian regime <italic>&#x3c4;</italic> &#x226b; 1/<italic>&#x3ba;</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], e.g., it induces a non-exponential decay [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>] and a multi-peak excitation spectrum [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]. Therefore, how these non-Markovian effects affect the sensing performance is an open question to be explored in the future, especially when a coherent feedback is applied to control the system [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B62">62</xref>]. A possible method to investigate the influences of the non-Markovian effect is utilizing the quantum simulation platform [<xref ref-type="bibr" rid="B63">63</xref>].</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s6">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusion of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>YZ and SX conceived the work. SX supervised the project. RW and ZP provided critical comments, suggestions, and text. YZ wrote the first draft of the manuscript. All authors contributed to manuscript revision, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC) under Grants 61873162, 61973317, 61833010, 62173201, 12074117 and 12061131011. This work was also supported by the Open Research Project of the State Key Laboratory of Industrial Control Technology, Zhejiang University, China (No. ICT2022B47).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<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>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors thank Lei Du, Wenlong Li, Qiuyuan Cai, and Sulin Feng for the fruitful discussion.</p>
</ack>
<fn-group>
<fn id="fn1">
<label>1</label>
<p>Since the perturbation is small enough, such that it can be expanded as a small quantity and kept to the first order.</p>
</fn>
<fn id="fn2">
<label>2</label>
<p>We have simulated SNR with <italic>&#x3b3;</italic> &#x2208; {0.25&#x393;, 0.5&#x393;, &#x393;, 2&#x393;, 4&#x393;, 8&#x393;, 16&#x393;} and found SNR per photon is maximum at <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 2&#x393;. For the sake of keeping the picture simple and clear, we do not show other curves in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>.</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schnabel</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mavalvala</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClelland</surname>
<given-names>DE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>PK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Metrology for Gravitational Wave Astronomy</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2010</year>) <volume>1</volume>:<fpage>121</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms1122</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stray</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lamb</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaushik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vovrosh</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rodgers</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Winch</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Sensing for Gravity Cartography</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2022</year>) <volume>602</volume>:<fpage>590</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-021-04315-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vollmer</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arnold</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Keng</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single Virus Detection from the Reactive Shift of a Whispering-Gallery Mode</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci U.S.A</source> (<year>2008</year>) <volume>105</volume>:<fpage>20701</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0808988106</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ozdemir</surname>
<given-names>SK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>Y-F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>D-R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>On-chip Single Nanoparticle Detection and Sizing by Mode Splitting in an Ultrahigh-Q Microresonator</article-title>. <source>Nat Photon</source> (<year>2010</year>) <volume>4</volume>:<fpage>46</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphoton.2009.237</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>J-L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ho</surname>
<given-names>S-W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wan</surname>
<given-names>JTK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>RB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Atomic-scale Magnetometry of Distant Nuclear Spin Clusters via Nitrogen-Vacancy Spin in diamond</article-title>. <source>Nat Nanotech</source> (<year>2011</year>) <volume>6</volume>:<fpage>242</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nnano.2011.22</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>R-B</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Sensing and Atomic-Scale Structure Analysis of Single Nuclear-Spin Clusters in diamond</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>10</volume>:<fpage>21</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2814</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Wireless Whispering-Gallery-Mode Sensor for thermal Sensing and Aerial Mapping</article-title>. <source>Light Sci Appl</source> (<year>2018</year>) <volume>7</volume>:<fpage>62</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41377-018-0063-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>S&#xe1;nchez-Burillo</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duch</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>G&#xf3;mez-Garde&#xf1;es</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zueco</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Navigation and Ranking in Complex Networks</article-title>. <source>Sci Rep</source> (<year>2012</year>) <volume>2</volume>:<fpage>605</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep00605</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marks</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Positioning System Steps in when Gps Fails</article-title>. <source>New Scientist</source> (<year>2014</year>) <volume>222</volume>:<fpage>19</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0262-4079(14)60955-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B-B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bulla</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prakash</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forstner</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dehghan-Manshadi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubinsztein-Dunlop</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Invited Article: Scalable High-Sensitivity Optomechanical Magnetometers on a Chip</article-title>. <source>APL Photon</source> (<year>2018</year>) <volume>3</volume>:<fpage>120806</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5055029</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B-B</given-names>
</name>
<name>
<surname>B&#xed;lek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoff</surname>
<given-names>UB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madsen</surname>
<given-names>LS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forstner</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prakash</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Enhanced Optomechanical Magnetometry</article-title>. <source>Optica</source> (<year>2018</year>) <volume>5</volume>:<fpage>850</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OPTICA.5.000850</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Janousek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sheridan</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>McAuslan</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubinsztein-Dunlop</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>PK</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Optomechanical Magnetometry with a Macroscopic Resonator</article-title>. <source>Phys Rev Appl</source> (<year>2016</year>) <volume>5</volume>:<fpage>044007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevApplied.5.044007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sounas</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Al&#xf9;</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-reciprocal Photonics Based on Time Modulation</article-title>. <source>Nat Photon</source> (<year>2017</year>) <volume>11</volume>:<fpage>774</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41566-017-0051-x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lau</surname>
<given-names>H-K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clerk</surname>
<given-names>AA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fundamental Limits and Non-reciprocal Approaches in Non-Hermitian Quantum Sensing</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2018</year>) <volume>9</volume>:<fpage>4320</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-018-06477-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Potton</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Reciprocity in Optics</article-title>. <source>Rep Prog Phys</source> (<year>2004</year>) <volume>67</volume>:<fpage>717</fpage>&#x2013;<lpage>54</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0034-4885/67/5/r03</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Casimir</surname>
<given-names>HBG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On Onsager&#x27;s Principle of Microscopic Reversibility</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>1945</year>) <volume>17</volume>:<fpage>343</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.17.343</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>&#xd6;zdemir</surname>
<given-names>&#x15e;K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lei</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monifi</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gianfreda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Long</surname>
<given-names>GL</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Parity-time-symmetric Whispering-Gallery Microcavities</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>10</volume>:<fpage>394</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys432310.1038/nphys2927</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>&#xd6;zdemir</surname>
<given-names>&#x15e;K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liertzer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kramer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Y&#x131;lmaz</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Chiral Modes and Directional Lasing at Exceptional Points</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci U.S.A</source> (<year>2016</year>) <volume>113</volume>:<fpage>6845</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1603318113</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McDonald</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clerk</surname>
<given-names>AA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Exponentially-enhanced Quantum Sensing with Non-Hermitian Lattice Dynamics</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2020</year>) <volume>11</volume>:<fpage>5382</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-020-19090-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>PJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Turnstile Circulator</article-title>. <source>IEEE Trans Microwave Theor Techn.</source> (<year>1956</year>) <volume>4</volume>:<fpage>223</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMTT.1956.1125066</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Auld</surname>
<given-names>BA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Synthesis of Symmetrical Waveguide Circulators</article-title>. <source>IEEE Trans Microwave Theor Techn.</source> (<year>1959</year>) <volume>7</volume>:<fpage>238</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMTT.1959.1124688</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Scalora</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dowling</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bowden</surname>
<given-names>CM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloemer</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Photonic Band Edge Optical Diode</article-title>. <source>J Appl Phys</source> (<year>1994</year>) <volume>76</volume>:<fpage>2023</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.358512</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tocci</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloemer</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scalora</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dowling</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bowden</surname>
<given-names>CM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thin&#x2010;film Nonlinear Optical Diode</article-title>. <source>Appl Phys Lett</source> (<year>1995</year>) <volume>66</volume>:<fpage>2324</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.113970</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Konotop</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuzmiak</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonreciprocal Frequency Doubler of Electromagnetic Waves Based on a Photonic Crystal</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2002</year>) <volume>66</volume>:<fpage>235208</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.66.235208</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhukovsky</surname>
<given-names>SV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smirnov</surname>
<given-names>AG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>All-optical Diode Action in Asymmetric Nonlinear Photonic Multilayers with Perfect Transmission Resonances</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2011</year>) <volume>83</volume>:<fpage>023818</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.83.023818</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abdo</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sliwa</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frunzio</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Devoret</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Directional Amplification with a Josephson Circuit</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2013</year>) <volume>3</volume>:<fpage>031001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.3.031001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>D-W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>H-T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>M-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J-X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Evers</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>S-Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optical Diode Made from a Moving Photonic Crystal</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2013</year>) <volume>110</volume>:<fpage>093901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.110.093901</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abdo</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sliwa</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shankar</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hatridge</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frunzio</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schoelkopf</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Josephson Directional Amplifier for Quantum Measurement of Superconducting Circuits</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>112</volume>:<fpage>167701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.112.167701</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fang</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Metelmann</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matheny</surname>
<given-names>MH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marquardt</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clerk</surname>
<given-names>AA</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Generalized Non-reciprocity in an Optomechanical Circuit via Synthetic Magnetism and Reservoir Engineering</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>13</volume>:<fpage>465</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys4009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schmidt</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pradhan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipson</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Micrometre-scale Silicon Electro-Optic Modulator</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2005</year>) <volume>435</volume>:<fpage>325</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature03569</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Phare</surname>
<given-names>CT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daniel Lee</surname>
<given-names>Y-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cardenas</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipson</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Graphene Electro-Optic Modulator with 30 GHz Bandwidth</article-title>. <source>Nat Photon</source> (<year>2015</year>) <volume>9</volume>:<fpage>511</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphoton.2015.122</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Delsing</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Designing Frequency-dependent Relaxation Rates and Lamb Shifts for a Giant Artificial Atom</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>013837</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.90.013837</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schuetz</surname>
<given-names>MJA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kessler</surname>
<given-names>EM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Giedke</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vandersypen</surname>
<given-names>LMK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lukin</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cirac</surname>
<given-names>JI</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Universal Quantum Transducers Based on Surface Acoustic Waves</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2015</year>) <volume>5</volume>:<fpage>031031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.5.031031</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manenti</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patterson</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Behrle</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rahamim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tancredi</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Circuit Quantum Acoustodynamics with Surface Acoustic Waves</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2017</year>) <volume>8</volume>:<fpage>975</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-017-01063-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grimsmo</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pletyukhov</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Giant Acoustic Atom: A Single Quantum System with a Deterministic Time Delay</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2017</year>) <volume>95</volume>:<fpage>053821</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.95.053821</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Decoherence-free Interaction between Giant Atoms in Waveguide Quantum Electrodynamics</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>120</volume>:<fpage>140404</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.120.140404</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Andersson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suri</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aref</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Delsing</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-exponential Decay of a Giant Artificial Atom</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>15</volume>:<fpage>1123</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-019-0605-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ekstr&#xf6;m</surname>
<given-names>MK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aref</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ask</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andersson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suri</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sanada</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Towards Phonon Routing: Controlling Propagating Acoustic Waves in the Quantum Regime</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>21</volume>:<fpage>123013</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ab5ca5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Delsing</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cleland</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schuetz</surname>
<given-names>MJA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kn&#xf6;rzer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Giedke</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cirac</surname>
<given-names>JI</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap</article-title>. <source>J Phys D: Appl Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>52</volume>:<fpage>353001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6463/ab1b04</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kannan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruckriegel</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Braum&#xfc;ller</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>DK</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Waveguide Quantum Electrodynamics with Superconducting Artificial Giant Atoms</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2020</year>) <volume>583</volume>:<fpage>775</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-020-2529-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Optics with Giant Atoms-The First Five Years</article-title>. In: <source>International Symposium on Mathematics, Quantum Theory, and Cryptography</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2021</year>). p. <fpage>125</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-981-15-5191-8_12</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marquardt</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Oscillating Bound States for a Giant Atom</article-title>. <source>Phys Rev Res</source> (<year>2020</year>) <volume>2</volume>:<fpage>043014</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevResearch.2.043014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vadiraj</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ask</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>McConkey</surname>
<given-names>TG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nsanzineza</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chang</surname>
<given-names>CWS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Engineering the Level Structure of a Giant Artificial Atom in Waveguide Quantum Electrodynamics</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>023710</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.103.023710</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>M-R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single-photon Nonreciprocal Excitation Transfer with Non-Markovian Retarded Effects</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>053701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.103.053701</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single-photon Frequency Conversion via a Giant &#x39b; -type Atom</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>104</volume>:<fpage>023712</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.104.023712</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kockum</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Giant Atoms in Synthetic Frequency Dimensions</article-title>. <source>arXiv: 2111.05584</source> (<year>2021</year>). </citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>QY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jia</surname>
<given-names>WZ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coherent Single-Photon Scattering Spectra for a Giant-Atom Waveguide-QED System beyond the Dipole Approximation</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>104</volume>:<fpage>033710</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.104.033710</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Spatial Non-Locality Induced Non-Markovian EIT in a Single Giant Atom</article-title>. <source>arXiv: 2106.05020</source> (<year>2021</year>). </citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pezz&#xe8;</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smerzi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oberthaler</surname>
<given-names>MK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schmied</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Treutlein</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Metrology with Nonclassical States of Atomic Ensembles</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2018</year>) <volume>90</volume>:<fpage>035005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.90.035005</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Degen</surname>
<given-names>CL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reinhard</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cappellaro</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Sensing</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>89</volume>:<fpage>035002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.89.035002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bao</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qi</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fundamental Limits for Reciprocal and Nonreciprocal Non-Hermitian Quantum Sensing</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>042418</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.103.042418</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>J-T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theory of Single-Photon Transport in a Single-Mode Waveguide. I. Coupling to a Cavity Containing a Two-Level Atom</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2009</year>) <volume>79</volume>:<fpage>023837</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.79.023837</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>YT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jia</surname>
<given-names>WZ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single-photon Quantum Router in the Microwave Regime Utilizing Double Superconducting Resonators with Tunable Coupling</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2019</year>) <volume>99</volume>:<fpage>063815</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.99.063815</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Clerk</surname>
<given-names>AA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Devoret</surname>
<given-names>MH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Girvin</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marquardt</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schoelkopf</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Introduction to Quantum Noise, Measurement, and Amplification</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2010</year>) <volume>82</volume>:<fpage>1155</fpage>&#x2013;<lpage>208</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.82.1155</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B55">
<label>55.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Agarwal</surname>
<given-names>GS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Reactive-coupling-induced normal Mode Splittings in Microdisk Resonators Coupled to Waveguides</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2010</year>) <volume>81</volume>:<fpage>053810</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.81.053810</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B56">
<label>56.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qu</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Agarwal</surname>
<given-names>GS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Phonon-mediated Electromagnetically Induced Absorption in Hybrid Opto-Electromechanical Systems</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2013</year>) <volume>87</volume>:<fpage>031802</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.87.031802</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B57">
<label>57.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weis</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rivi&#xe8;re</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Del&#xe9;glise</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gavartin</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arcizet</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schliesser</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Optomechanically Induced Transparency</article-title>. <source>Science</source> (<year>2010</year>) <volume>330</volume>:<fpage>1520</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1195596</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B58">
<label>58.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S-B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>R-B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>W-M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>C-W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarn</surname>
<given-names>T-J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Decoherence Suppression via Non-Markovian Coherent Feedback Control</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2012</year>) <volume>86</volume>:<fpage>052304</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.86.052304</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B59">
<label>59.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petersen</surname>
<given-names>IR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Realizing the Dynamics of a Non-Markovian Quantum System by Markovian Coupled Oscillators: a Green&#x27;s Function-Based Root Locus Approach</article-title>. <source>Quan Inf Process</source> (<year>2016</year>) <volume>15</volume>:<fpage>1001</fpage>&#x2013;<lpage>18</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11128-015-1196-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B60">
<label>60.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hush</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarn</surname>
<given-names>T-J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-Markovian Coherent Feedback Control of Quantum Dot Systems</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2017</year>) <volume>2</volume>:<fpage>014002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/aa6125</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B61">
<label>61.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hush</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petersen</surname>
<given-names>IR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Feedback Tracking Control of Non-Markovian Quantum Systems</article-title>. <source>IEEE Trans Contr Syst Technol</source> (<year>2017</year>) <volume>25</volume>:<fpage>1552</fpage>&#x2013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.2016.2614834</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B62">
<label>62.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nguyen</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>James</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shabani</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ugrinovskii</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petersen</surname>
<given-names>IR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Modeling for Non-Markovian Quantum Systems</article-title>. <source>IEEE Trans Contr Syst Technol</source> (<year>2020</year>) <volume>28</volume>:<fpage>2564</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.2019.2935421</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B63">
<label>63.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>N-N</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>W-T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>M-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>F-G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Global Correlation and Local Information Flows in Controllable Non-Markovian Open Quantum Dynamics</article-title>. <source>Npj Quan Inf</source> (<year>2022</year>) <volume>8</volume>:<fpage>22</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41534-022-00537-z</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>