論文の概要: Quantum limits for stationary force sensing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2011.14716v2
• Date: Fri, 18 Dec 2020 11:24:22 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-22 14:40:07.920405
• Title: Quantum limits for stationary force sensing
• Title（参考訳）: 静止力センシングのための量子限界
• Authors: Farid Ya. Khalili and Emil Zeuthen
• Abstract要約: 最先端のセンサーは、メーターの量子ノイズが重要または支配的な感度に達する。 特に、最高のオプトメカニカルデバイスの感度は標準量子限界に達している。 ここでは、一般感度制約を導出することにより、これらの2つの基本極限の統一理論を開発する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: State-of-the-art sensors of force, motion and magnetic fields have reached the sensitivity where the quantum noise of the meter is significant or even dominant. In particular, the sensitivity of the best optomechanical devices has reached the Standard Quantum Limit (SQL), which directly follows from the Heisenberg uncertainty relation and corresponds to balancing the measurement imprecision and the perturbation of the probe by the quantum back action of the meter. The SQL is not truly fundamental and several methods for its overcoming have been proposed and demonstrated. At the same time, two quantum sensitivity constraints which are more fundamental are known. The first limit arises from the finiteness of the probing strength (in the case of optical interferometers - of the circulating optical power) and is known as the Energetic Quantum Limit or, in a more general context, as the Quantum Cram\'{e}r-Rao Bound (QCRB). The second limit arises from the dissipative dynamics of the probe, which prevents full efficacy of the quantum back action evasion techniques developed for overcoming the SQL. No particular name has been assigned to this limit; we propose the term Dissipative Quantum Limit (DQL) for it. Here we develop a unified theory of these two fundamental limits by deriving the general sensitivity constraint from which they follow as particular cases. Our analysis reveals a phase transition occurring at the boundary between the QCRB-dominated and the DQL regimes, manifested by the discontinuous derivatives of the optimal spectral densities of the meter field quantum noise. This leads to the counter-intuitive (but favorable) finding that quantum-limited sensitivity can be achieved with certain lossy meter systems. Finally, we show that the DQL originates from the non-autocommutativity of the internal thermal noise of the probe and that it can be overcome in non-stationary measurements.
• Abstract（参考訳）: 力、運動、磁場の最先端のセンサーは、メーターの量子ノイズが重要か、あるいは支配的である感度に達している。 特に、最高の光機械装置の感度は、ハイゼンベルクの不確実性関係から直接従う標準量子限界(sql)に達し、測定の不正確さと測定器の量子バックアクションによる摂動のバランスに対応する。 SQLは真に基本的なものではなく、その克服のためのいくつかのメソッドが提案され、実証されている。 同時に、より基本的な2つの量子感度制約が知られている。 最初の極限は、探査強度の有限性(循環する光力の光干渉計の場合)から生じ、エネルギティック量子限界(Energetic Quantum Limit)またはより一般的な文脈ではQuantum Cram\'{e}r-Rao Bound(QCRB)と呼ばれる。 第2の限界は、SQLを克服するために開発された量子バックアクション回避技術の完全な有効性を妨げるプローブの散逸ダイナミクスから生じる。 この制限には特定の名前が割り当てられておらず、我々はそれに対して Dissipative Quantum Limit (DQL) という用語を提案する。 ここでは,これら2つの基本限界の統一理論を,それらが特定の場合として従う一般感受性制約を導出することにより展開する。 解析の結果,QCRBが支配する状態とDQL状態の境界で発生する相転移が,電場量子ノイズの最適スペクトル密度の不連続微分によって明らかとなった。 これは反直感的な(しかし好意的な)発見につながり、量子制限感度はある種の損失計システムで達成できる。 最後に, dqlはプローブの内部熱雑音の非自己交換性に由来すること, 非定常測定で克服できることを示した。

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