論文の概要: Quantum-enhanced dark matter detection with in-cavity control: mitigating the Rayleigh curse
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.04656v1
- Date: Fri, 6 Sep 2024 23:37:01 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-09-10 21:14:48.257292
- Title: Quantum-enhanced dark matter detection with in-cavity control: mitigating the Rayleigh curse
- Title（参考訳）: キャビティ制御による暗黒物質検出の量子化--レイリーの呪いを和らげる
- Authors: Haowei Shi, Anthony J. Brady, Wojciech Górecki, Lorenzo Maccone, Roberto Di Candia, Quntao Zhuang,
- Abstract要約: ダークマターを探索する主要なアプローチは、マイクロ波キャビティにおける静かなノイズを検出することである。
我々はレイリーの呪いを和らげるプロトコルを提案する。
近年の磁場抵抗性インキャビティスクイージングの進歩により、提案プロトコルはアクシオン検出シナリオと互換性がある。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.31410859223862103
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The nature of dark matter is a fundamental puzzle in modern physics. A major approach of searching for dark matter relies on detecting feeble noise in microwave cavities. However, the quantum advantages of common quantum resources such as squeezing are intrinsically limited by the Rayleigh curse -- a constant loss places a sensitivity upper bound on these quantum resources. In this paper, we propose an in-situ protocol to mitigate such Rayleigh limit. The protocol consists of three steps: in-cavity quantum state preparation, axion accumulation with tunable time duration, and measurement. For the quantum source, we focus on the single-mode squeezed state (SMSS), and the entanglement-assisted case using signal-ancilla pairs in two-mode squeezed state (TMSS), where the ancilla does not interact with the axion. From quantum Fisher information rate evaluation, we derive the requirement of cavity quality factor, thermal noise level and squeezing gain for quantum advantage. When the squeezing gain becomes larger, the optimal axion accumulation time decreases to reduce loss and mitigate the Rayleigh curse -- the quantum advantage keeps increasing with the squeezing gain. Overall, we find that TMSS is more sensitive in the low temperature limit. In the case of SMSS, as large gain is required for advantage over vacuum, homodyne is sufficient to achieve optimality. For TMSS, anti-squeezing and photon counting is necessary to be optimal. Thanks to the recent advance in magnetic-field-resilient in-cavity squeezing and rapidly coupling out for photon counting, the proposed protocol is compatible with axion detection scenario.
- Abstract（参考訳）: ダークマターの性質は現代物理学の基本的なパズルである。
ダークマターを探索する主要なアプローチは、マイクロ波キャビティにおける静かなノイズを検出することである。
しかし、スクイーズのような一般的な量子資源の量子的利点は本質的にレイリーの呪いによって制限されている。
本稿では,レイリー限界を緩和するプロトコルを提案する。
このプロトコルは3つのステップで構成されている: キャビティ内量子状態の準備、調整可能な時間を含むアクシオン蓄積、測定である。
量子源として,単一モード圧縮状態 (SMSS) と2モード圧縮状態 (TMSS) における信号アンシラ対を用いた絡み合い支援ケースに着目した。
量子フィッシャー情報量評価から, キャビティ品質係数, サーマルノイズレベル, スクイージングゲインの要件を導出した。
スクイーズゲインが大きくなると、最適のアクシオン蓄積時間が減少し、損失を減らし、レイリーの呪いを和らげる。
全体として,TMSSは低温限界に敏感であることがわかった。
SMSSの場合、真空よりも大きな利得が要求されるため、ホモダインは最適性を達成するのに十分である。
TMSSでは、アンチスキーズと光子計数が最適である必要がある。
近年,光子計数のための磁場抵抗型インキャビティスクイーズと高速カップリングの進歩により,このプロトコルは軸方向検出のシナリオと互換性がある。
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