論文の概要: Quantum-Enhanced Multi-Parameter Sensing in a Single Mode
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.04865v1
- Date: Fri, 06 Dec 2024 08:58:19 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-12-09 15:55:49.901203
- Title: Quantum-Enhanced Multi-Parameter Sensing in a Single Mode
- Title（参考訳）: 単一モードにおける量子増強型マルチパラメータセンシング
- Authors: Christophe H. Valahu, Matthew P. Stafford, Zixin Huang, Vassili G. Matsos, Maverick J. Millican, Teerawat Chalermpusitarak, Nicolas C. Menicucci, Joshua Combes, Ben Q. Baragiola, Ting Rei Tan,
- Abstract要約: 標準量子限界以下で不確実性が同時に減少する位置と運動量の小さな変化の測定を実証する。
実験では格子状態を用いて位置と運動量の小さな変化を計測し,同時に5.1(5)dBまで上昇した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License:
- Abstract: Precision metrology underpins scientific and technological advancements. Quantum metrology offers a pathway to surpass classical sensing limits by leveraging quantum states and measurement strategies. However, measuring multiple incompatible observables suffers from quantum backaction, where measurement of one observable pollutes a subsequent measurement of the other. This is a manifestation of Heisenberg's uncertainty principle for two non-commuting observables, such as position and momentum. Here, we demonstrate measurements of small changes in position and momentum where the uncertainties are simultaneously reduced below the standard quantum limit (SQL). We measure $\textit{modular observables}$ using tailored, highly non-classical states that ideally evade measurement backactions. The states are deterministically prepared in the single mode of the mechanical motion of a trapped ion using an optimal quantum control protocol. Our experiment uses grid states to measure small changes in position and momentum and shows a metrological gain of up to 5.1(5)~dB over the simultaneous SQL. Using an adaptive-phase estimation algorithm with Bayesian inference, we estimate these displacements with a combined variance of 2.6(1.1)~dB below the SQL. Furthermore, we examine simultaneously estimating $\textit{number}$ and $\textit{phase}$, which are the polar counterparts of position and momentum. This is performed by preparing a novel quantum resource -- number-phase states -- and we demonstrate a metrological gain over their SQL. The combination of quantum control and multi-parameter quantum metrology marks a significant step towards unprecedented precision with applications ranging from fundamental physics to advanced quantum technologies.
- Abstract（参考訳）: 精密気象学は科学と技術の発展を支えている。
量子メートル法は、量子状態と測定戦略を活用することによって、古典的なセンシング限界を超える経路を提供する。
しかし、複数の不整合可観測物の測定は量子バックアクションに悩まされ、一方の可観測物の測定は他方の観測物を汚染する。
これは、位置や運動量のような2つの非可換可観測物に対するハイゼンベルクの不確実性原理の現れである。
ここでは、不確かさが標準量子限界(SQL)以下で同時に減少する位置と運動量の小さな変化の測定を実演する。
測定バックアクションを理想的に回避する、調整された、非常に古典的な状態を用いて、$\textit{modular observables}$を測定する。
状態は、最適量子制御プロトコルを用いて、閉じ込められたイオンの機械的運動の単一モードで決定的に準備される。
実験ではグリッド状態を用いて位置と運動量の小さな変化を計測し,同時SQL上で最大5.1(5)~dBの時間的ゲインを示す。
ベイズ推定を用いた適応位相推定アルゴリズムを用いて、これらの変位をSQLの下の2.6(1.1)~dBの混合分散で推定する。
さらに、位置と運動量の極値である $\textit{number}$ と $\textit{phase}$ を同時に推定する。
これは、新しい量子リソース -- 数相状態 -- を用意して実行されます。
量子制御とマルチパラメータ量子メートル法の組み合わせは、基礎物理学から先進量子技術に至るまでの応用において、前例のない精度に向けた重要な一歩である。
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