論文の概要: Quantum Vector Signal Analyzer: Wideband Electric Field Sensing via Motional Raman Transitions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.12263v2
• Date: Mon, 07 Oct 2024 22:49:55 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-10 14:26:23.241119
• Title: Quantum Vector Signal Analyzer: Wideband Electric Field Sensing via Motional Raman Transitions
• Title（参考訳）: 量子ベクトル信号解析装置:運動ラマン遷移による広帯域電場センシング
• Authors: Hao Wu, Grant Mitts, Clayton Ho, Joshua Rabinowitz, Eric R. Hudson,
• Abstract要約: 我々は1つの閉じ込められたイオン中のラマン転移を用いて、周波数、位相、振幅に対する芸術感度の状態を実現する。 この手法は、スクイーズによる量子増幅とフォック基底での計測の両方と互換性がある。 小型フィールドの量子センシングのための魅力的なプラットフォームを提供するのに加えて、この技術はQHOシステムにおいて量子ビット制御ラインをその場で校正することができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6764941281711376
• License:
• Abstract: Ultrasensitive detection of the frequency, phase, and amplitude of radio frequency (RF) electric fields is central to a variety of important applications, including radio communication, cosmology, dark matter searches, and high-fidelity qubit control. Quantum harmonic oscillator (QHO) systems, especially trapped ions, have been used with several quantum sensing techniques to achieve electric field sensing with state-of-the-art sensitivity and nanometer spatial resolution. However, these systems are limited to a narrow frequency range centered around either the motional frequency of the trapped ion oscillator or the frequency of an optical transition in the ion; often these techniques are not sensitive to the RF phase. Here, we propose and demonstrate a procedure that unlocks the extreme sensitivity of a QHO to allow high precision wideband detection of the frequency, phase, and amplitude of an unknown electric field. Specifically, we use motional Raman transitions in a single trapped ion, cooled near its motional ground state to realize state of the art sensitivities to frequency, phase, and amplitude, and show the technique works over a frequency range that is >800x larger than previous techniques. Further, this technique is shown to be compatible with both quantum amplification via squeezing and measurement in the Fock basis, allowing performance 3.4(20) dB below the standard quantum limit and the potential for several orders of magnitude improvement in sensitivity with moderate upgrades. In addition to providing an attractive platform for quantum sensing of small fields, this technique allows in situ calibration of qubit control lines in QHO systems, as well as transduction of external, non-resonant drives into oscillator excitation. Additionally, this approach can be extended to other QHO systems, such as a superconducting qubit-resonator system.
• Abstract（参考訳）: 高周波電界の周波数、位相、振幅の超感度検出は、無線通信、宇宙論、暗黒物質探索、高忠実度量子ビット制御など、様々な重要な応用の中心である。 量子高調波発振器(QHO)システム、特に閉じ込められたイオンは、いくつかの量子センシング技術を用いて、最先端感度とナノメートル空間分解能による電場センシングを実現している。 しかしながら、これらのシステムは、捕捉されたイオン発振器の運動周波数またはイオンの光遷移の周波数を中心とする狭い周波数範囲に限られており、これらの技術はRF位相に敏感ではないことが多い。 本稿では、QHOの極度感度を解放し、未知の電界の周波数、位相、振幅の高精度な広帯域検出を可能にする手順を提案し、実証する。 具体的には, 運動ラマン遷移を単一捕捉イオン中で利用し, その運動基底状態付近で冷却することにより, 周波数, 位相, 振幅に対する最先端の感度を実現し, 従来の技術よりも800倍の周波数範囲で作用することを示す。 さらに、この手法は、標準的な量子限界以下の性能3.4(20) dBと、適度なアップグレードで数桁の感度改善が可能となるFockベースでのスクイーズと測定による量子増幅の両方と互換性があることが示されている。 小型フィールドの量子センシングのための魅力的なプラットフォームを提供するのに加えて、この技術はQHOシステムにおける量子ビット制御線のin situキャリブレーションを可能にし、外部の非共鳴ドライブを振動子励起に変換する。 さらに、このアプローチは超伝導量子ビット共振器システムのような他のQHOシステムにも拡張することができる。

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