論文の概要: Criticality-Enhanced Quantum Sensing via Continuous Measurement
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2108.06349v2
- Date: Fri, 1 Apr 2022 09:11:08 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-18 14:46:15.365349
- Title: Criticality-Enhanced Quantum Sensing via Continuous Measurement
- Title（参考訳）: 連続計測による臨界量子センシング
- Authors: Theodoros Ilias, Dayou Yang, Susana F. Huelga, Martin B. Plenio
- Abstract要約: 本稿では,放射光量子の連続観測による臨界強度検出プロトコルを提案する。
我々は、その根底にある臨界指数によって支配される過渡的かつ長時間の振る舞いを特徴とする普遍的スケーリング法を導出する。
我々のプロトコルは、連続的な読み出しを可能にする汎用量子光学オープンセンサーに適用できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.433758865948252
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Present protocols of criticality-enhanced sensing with open quantum sensors
assume direct measurement of the sensor and omit the radiation quanta emitted
to the environment, thereby potentially missing valuable information. Here we
propose a protocol for criticality-enhanced sensing via continuous observation
of the emitted radiation quanta. Under general assumptions, we establish a
scaling theory for the global quantum Fisher information of the joint system
and environment state at dissipative critical points. We derive universal
scaling laws featuring transient and long-time behavior governed by the
underlying critical exponents. Importantly, such scaling laws exceed the
standard quantum limit and can in principle saturate the Heisenberg limit. To
harness such advantageous scaling, we propose a practical sensing scheme based
on continuous detection of the emitted quanta as realized experimentally in
various quantum-optical setups. In such a scheme a single interrogation
corresponds to a (stochastic) quantum trajectory of the open system evolving
under the nonunitary dynamics dependent on the parameter to be sensed and the
backaction of the continuous measurement. Remarkably, we demonstrate that the
associated precision scaling significantly exceeds that based on direct
measurement of the critical steady state, thereby establishing the metrological
value of the continuous detection of the emitted quanta at dissipative
criticality. We illustrate our protocol via counting the photons emitted by the
open Rabi model, a paradigmatic model for the study of dissipative phase
transition with finite components. Our protocol is applicable to generic
quantum-optical open sensors permitting continuous readout, and may find
applications at the frontier of quantum sensing, such as the human-machine
interface, magnetic diagnosis of heart disease, and zero-field nuclear magnetic
resonance.
- Abstract（参考訳）: オープン量子センサを用いた臨界エンハンスセンシングのプロトコルは、センサの直接測定を想定し、環境に放出される放射量子を省略し、貴重な情報を欠いている可能性がある。
本稿では,放射量子の連続観測による臨界エンハンスドセンシングのプロトコルを提案する。
一般的な仮定の下では、分散臨界点における統合システムのグローバル量子フィッシャー情報と環境状態のスケーリング理論を確立する。
基礎となる臨界指数に支配される過渡的および長期的挙動を特徴とする普遍的スケーリング則を導出する。
重要なことに、そのようなスケーリング法則は標準量子極限を超え、原理的にはハイゼンベルク極限を飽和させることができる。
このような有利なスケーリングを活用するために,様々な量子光学装置において実験的に実現された発光量子の連続検出に基づく実用的なセンシング手法を提案する。
このようなスキームにおいて、単一の尋問は、知覚されるパラメータと連続測定のバックアクションに依存する非ユニタリダイナミクスの下で進化する開システムの(統計的)量子軌道に対応する。
さらに, 臨界定常状態の直接測定により, 関連する精度スケーリングがそれを大幅に上回っており, 散逸臨界時の放射量子の連続検出のメトロロジー値が確立されることを示した。
有限成分による散逸相転移の研究のためのパラダイムモデルであるオープンラビモデルにより放出される光子を数えることにより、我々のプロトコルを説明する。
我々のプロトコルは、連続的な読み出しを可能にする汎用量子光学オープンセンサーに適用でき、人間のマシンインタフェース、心臓疾患の磁気診断、ゼロフィールド核磁気共鳴などの量子センシングのフロンティアに応用できるかもしれない。
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