論文の概要: Noisy atomic magnetometry with Kalman filtering and measurement-based feedback
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2403.14764v2
- Date: Tue, 2 Apr 2024 12:43:47 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-04-04 07:58:37.242505
- Title: Noisy atomic magnetometry with Kalman filtering and measurement-based feedback
- Title（参考訳）: カルマンフィルタと測定に基づくフィードバックによるノイズ原子磁気計測
- Authors: Julia Amoros-Binefa, Jan Kolodynski,
- Abstract要約: 本稿では,測定,推定,制御戦略を統合する総合的なアプローチを提案する。
これは原子アンサンブルの連続的な光伝搬に基づく量子的非劣化測定を実装することを含む。
提案したフィードバックにより、測定データが破棄された場合でも原子は絡み合いを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Tracking a magnetic field in real-time with an atomic magnetometer presents significant challenges, primarily due to sensor non-linearity, the presence of noise, and the need for one-shot estimation. To address these challenges, we propose a comprehensive approach that integrates measurement, estimation and control strategies. Specifically, this involves implementing a quantum non-demolition measurement based on continuous light-probing of the atomic ensemble. The resulting photocurrent is then directed into an Extended Kalman Filter to produce instantaneous estimates of the system's dynamical parameters. These estimates, in turn, are utilised by a Linear Quadratic Regulator, whose output is applied back to the system through a feedback loop. This procedure automatically steers the atomic ensemble into a spin-squeezed state, yielding a quantum enhancement in precision. Furthermore, thanks to the feedback proposed, the atoms exhibit entanglement even when the measurement data is discarded. To prove that our approach constitutes the optimal strategy in realistic scenarios, we derive ultimate bounds on the estimation error applicable in the presence of both local and collective decoherence, and show that these are indeed attained. Additionally, we demonstrate for large ensembles that the EKF not only reliably predicts its own estimation error in real time, but also accurately estimates spin-squeezing at short timescales.
- Abstract（参考訳）: 原子磁気センサでリアルタイムに磁場を追跡することは、主にセンサの非線形性、ノイズの存在、単発推定の必要性など、重大な課題を示す。
これらの課題に対処するために、計測、推定、制御戦略を統合する包括的なアプローチを提案する。
具体的には、原子アンサンブルの連続的な光伝搬に基づく量子非破壊測定を実装することを含む。
得られた光電流は拡張カルマンフィルタに向けられ、システムの動的パラメータを瞬時に推定する。
これらの推定値は、フィードバックループを通じて出力をシステムに戻す線形擬似レギュレータによって利用される。
この手順は自動的に原子アンサンブルをスピンスクイーズ状態にし、精度の量子増強をもたらす。
さらに、提案したフィードバックにより、測定データが破棄された場合でも、原子は絡み合いを示す。
本手法が現実シナリオにおける最適戦略を構成することを証明するため,局所的および集団的デコヒーレンスの存在下で適用可能な推定誤差の究極的境界を導出し,これらが実際に達成されていることを示す。
さらに、大規模なアンサンブルに対して、EKFはリアルタイムに自己推定誤差を確実に予測するだけでなく、短時間でスピンスクイーズを正確に推定することを示した。
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