論文の概要: Photon-resolved Floquet theory approach to spectroscopic quantum sensing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.08302v1
• Date: Tue, 10 Jun 2025 00:18:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-11 15:11:40.954468
• Title: Photon-resolved Floquet theory approach to spectroscopic quantum sensing
• Title（参考訳）: 光子分解フロケ理論の分光量子センシングへの応用
• Authors: Georg Engelhardt, Konstantin Dorfman, Zhedong Zhang,
• Abstract要約: 我々は、最近開発された光子分解フロケ理論(PRFT)に基づく理論的枠組みを開発する。 PRFTは光のコヒーレント量子状態の高次統計を記述する測定統計を予測できる。 PRFTは、分光学的量子センシング装置の感度を数桁の精度で向上する柔軟なツールであることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Spectroscopic methods play a vital role in quantum sensing, which uses the quantized nature of atoms or molecules to reach astonishing precision for sensing of, e.g., electric or magnetic fields. In the theoretical treatment, one typically invokes semiclassical methods to describe the light-matter interaction between quantum emitters, e.g., atoms or molecules, and a strong coherent laser field. However, these semiclassical approaches struggle to predict the stochastic measurement fluctuations beyond the mean value, necessary to predict the sensitivity of spectroscopic quantum sensing protocols. Here, we develop a theoretical framework based on the recently developed Photon-resolved Floquet theory (PRFT) which is capable to predict the measurement statistics describing higher order statistics of coherent quantum states of light. The PRFT constructs flow equations for the cumulants of the photonic measurement statistics utilizing only the semiclassical dynamics of the matter system. We apply the PRFT to spectroscopic quantum sensing using dissipative two-level and four-level systems (describing electric field sensing with Rydberg atoms), and demonstrate how to calculate the Fisher information of the measurement statistics with respect to various system parameters. In doing so, we demonstrate that the PRFT is a flexible tool allowing to improve the sensitivity of spectroscopic quantum sensing devices by several orders of magnitudes.
• Abstract（参考訳）: 分光法は、原子や分子の量子化された性質を利用して、例えば電場や磁場を検知するための驚くべき精度に達する量子センシングにおいて重要な役割を担っている。 理論的な処理では、通常、量子エミッター、例えば原子や分子と強いコヒーレントレーザー場の間の光-物質相互作用を記述するための半古典的な方法を実行する。 しかし、これらの半古典的アプローチは、分光量子センシングプロトコルの感度を予測するのに必要な平均値を超える確率的測定変動を予測するのに苦労する。 本稿では、光のコヒーレントな量子状態の高次統計を記述する計測統計を予測できる、最近開発された光子分解フロケ理論(PRFT)に基づく理論的枠組みを開発する。 PRFTは、物質系の半古典力学のみを利用した光度測定統計量の累積に対する流れ方程式を構成する。 本稿では, 散逸性2レベルおよび4レベルシステム(ライドバーグ原子を用いた電場センシングを記述)を用いた分光量子センシングにPRFTを適用し, 各種システムパラメータに関する計測統計のフィッシャー情報を計算する方法を示す。 このようにして、PRFTは、分光学的量子センシングデバイスの感度を、数桁の精度で向上する柔軟なツールであることを示す。

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