論文の概要: Measuring two temperatures using a single thermometer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2403.15186v2
• Date: Wed, 5 Jun 2024 09:14:55 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-06-07 00:40:47.869500
• Title: Measuring two temperatures using a single thermometer
• Title（参考訳）: 単一温度計による2つの温度測定
• Authors: Harshit Verma, Fabio Costa,
• Abstract要約: 1つの温度計を用いて2つの温度を同時に測定できることを示す。 特に、複数の量子自由度(DoF)を持つ複合粒子を温度センサとして検討する。 これらの粒子をマッハ・ツェンダー型干渉計で同時に2つの温度を推定できることを示す。
• 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: We consider the question: Is it possible to measure two temperatures simultaneously using a single thermometer? Under common circumstances, where the thermometer can interact with only one bath at a time and the interaction leads to complete thermalization, this is clearly impossible because the final state of the thermometer would be independent of the temperature of the first bath. In this work, we show that this task can indeed be accomplished with the assistance of quantum control. In particular, we consider a composite particle with multiple quantum degrees of freedom (DoF) as a temperature sensor, where one of the DoF -- termed as internal DoF -- is susceptible to the local temperature, thereby functioning as a thermometer, whereas another DoF -- termed external DoF -- is quantum-controlled. We leverage the entanglement between the aforementioned DoF in a composite particle for two-temperature thermometry by preparing the external DoF in a quantum superposition, exposing the internal DoF to two local temperatures. We show that such a particle used in a Mach-Zehnder type interferometer, or a quantum switch -- which allows quantum control over the order of application of quantum channels -- can be used to estimate two temperatures simultaneously, thus affirming our main proposition. For each of these setups, we obtain the variance in the estimated temperatures through the multi-parameter Cram\'er-Rao bound, and compare their performances based on the range of total variance of the two temperatures estimated. On benchmarking all the setups based on the total variance of the estimated temperatures, we find that a quantum switch with a qudit probe outperforms other setups. On restricting our probe to be a qubit, we find that quantum switch performs equally well as a Mach-Zehnder type interferometer.
• Abstract（参考訳）: 一つの温度計で2つの温度を同時に測定することは可能か? 一般的な状況では、温度計が一度に1つの浴のみと相互作用し、相互作用によって完全な熱化がもたらされるが、温度計の最終状態が最初の浴の温度から独立しているため、これは明らかに不可能である。 本研究では,この課題が量子制御の助けを借りて実現可能であることを示す。 特に、複数の量子自由度(DoF)を持つ複合粒子を温度センサとみなし、内部のDoFと呼ばれるDoFの1つが局所的な温度に影響を受け、温度計として機能する一方、外部のDoFと呼ばれる別のDoFは量子制御される。 合成粒子中の上記DoF間の絡み合いを2温度温度測定に利用し、外部のDoFを量子的重ね合わせで調製し、内部のDoFを2つの局所温度に曝露した。 我々は、マッハ・ツェンダー型干渉計や量子チャネルの適用順序を量子的に制御できる量子スイッチで用いられる粒子を同時に2つの温度を推定できることを示す。 これらの設定のそれぞれについて,マルチパラメータClam\'er-Rao境界による推定温度のばらつきを求め,推定した2つの温度の総変動範囲に基づいてそれらの性能を比較した。 推定温度の総変動に基づいて全ての設定をベンチマークすると、quditプローブを用いた量子スイッチが他の設定より優れていることが分かる。 プローブを量子ビットに制限すると、量子スイッチはマッハ・ツェンダー型干渉計と同等に機能する。

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