論文の概要: Optimal phase-insensitive force sensing with non-Gaussian states

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.20832v1
• Date: Tue, 27 May 2025 07:52:06 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-28 17:05:58.482371
• Title: Optimal phase-insensitive force sensing with non-Gaussian states
• Title（参考訳）: 非ガウス状態を用いた最適位相非感応力センシング
• Authors: Piotr T. Grochowski, Radim Filip,
• Abstract要約: 本研究では、物理過程が誘導位相空間変位の方向を完全にランダム化する力センシング方式について検討する。 我々は、$Ntextth$Fock状態の占有がゼロでないすべての$Ntextth$Fock状態が、達成可能なセグメンテーションバウンダリに近づくことを発見した。 これらの状態は、損失力学と有限系制御性の下での最大力感度である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum metrology enables sensitivity to approach the limits set by fundamental physical laws. Even a single continuous mode offers enhanced precision, with the improvement scaling with its occupation number. Due to their high information capacity, continuous modes allow for the engineering of quantum non-Gaussian states, which not only improve metrological performance but can also be tailored to specific experimental platforms and conditions. Recent advancements in control over continuous platforms operating in the quantum regime have renewed interest in sensing weak forces, also coupling to massive macroscopic objects. In this work, we investigate a force-sensing scheme where a physical process completely randomizes the direction of the induced phase-space displacement, and the unknown force strength is inferred through excitation-number-resolving measurements. We find that $N$-spaced states, where only every $N^{\text{th}}$ Fock state occupation is nonzero, approach the achievable sensing bound. Additionally, non-Gaussian states are shown to be more resilient against decoherence than their Gaussian counterparts with the same occupation number. While Fock states typically offer the best protection against decoherence, we uncover a transition in the metrological landscape -- revealed through a tailored decoherence-aware Fisher-information-based reward functional -- where experimental constraints favor a family of number-squeezed Schr\"odinger cat states. Specifically, by implementing quantum optimal control in a minimal spin-boson system, we identify these states as maximizing force sensitivity under lossy dynamics and finite system controllability. Our results provide a pathway for enhancing force sensing in a variety of continuous quantum systems, ranging from massive systems like mechanical oscillators to massless systems such as quantum light and microwave resonators.
• Abstract（参考訳）: 量子メートル法は、基本的な物理法則によって設定された限界に近づく感度を可能にする。 単一の連続モードでさえ、その占有数によるスケーリングの改善により、精度が向上する。 高い情報容量のため、連続モードは量子非ガウス状態のエンジニアリングを可能にする。 量子状態における連続プラットフォーム制御の最近の進歩は、弱い力の感知や、巨大なマクロな物体との結合に新たな関心を抱いている。 本研究では, 物理過程が誘導相空間変位の方向を完全にランダム化し, 未知の力強度を励起数分解測定により推定する力センシング方式について検討する。 すべての$N^{\text{th}}$ Fock状態の占有がゼロではないような$N$-spaced状態が、達成可能な知覚境界に近づく。 さらに、非ガウス国家は、同じ職業数を持つガウス国家よりも非コヒーレンスに対する耐性が高いことが示されている。 フォック状態は通常、デコヒーレンスに対する最良の保護を提供するが、私たちは、成熟したデコヒーレンスを意識したフィッシャー情報に基づく報酬関数を通じて、気象学的景観の遷移を明らかにする。 具体的には、最小スピンボソン系に量子最適制御を実装することにより、損失力学と有限系制御性の下での力感度の最大化としてこれらの状態を特定する。 この結果は、機械振動子のような大規模システムから、量子光やマイクロ波共振器のような無質量システムまで、様々な連続量子系の力覚を高める経路を提供する。

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