論文の概要: Super-resolution of two Closely-spaced Electromagnetic Fields via Walsh-Modulated Dynamical Decoupling Spectroscopy
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.22767v1
- Date: Sat, 28 Jun 2025 06:11:41 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-01 21:27:53.555476
- Title: Super-resolution of two Closely-spaced Electromagnetic Fields via Walsh-Modulated Dynamical Decoupling Spectroscopy
- Title（参考訳）: ウォルシュ変調ダイナミックデカップリング分光法による2つの近接場電磁界の超解像
- Authors: Hao Wu, Grant D. Mitts, Clayton Z. C. Ho, Joshua A. Rabinowitz, Eric R. Hudson,
- Abstract要約: 線形幅は2つの密接な空間周波数の解消において決定的な役割を果たさないことを示す。
超解像分光のための最初の一般的なブロードバンドプロトコルを提案し,実験的に実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6764941281711376
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Due to quantum fluctuations, non-orthogonal quantum states cannot be distinguished with complete certainty, making their underlying physical parameters difficult to resolve. Traditionally, it has been believed that the linewidth of a system behaves like these quantum fluctuations to set the ultimate limit on frequency resolution as two oscillating electromagnetic fields are applied. Consequently, the measurement time required to resolve a frequency difference $\Delta \omega$ was assumed to diverge as $\Delta \omega \rightarrow 0$. Here, we show that linewidth does not play a defining role in resolving two closely spaced frequencies. Instead, the ultimate limit is set by parameter-independent quantum fluctuations, such as shot noise in our case. We propose and experimentally demonstrate the first general broadband protocol for super-resolution spectroscopy. Specifically, our protocol uses a Walsh-modulated dynamical decoupling (WMDD) sequence to encode $\Delta \omega$ between two unknown tones into a quantum state. This leverages phase information to suppress parameter-independent shot noise, thereby enhancing the signal-to-noise ratio and enabling super-resolution spectroscopy. With this approach, we resolve two randomly chosen oscillating electric fields of order 100 MHz separated by 5 Hz, with a measured frequency difference of 5.0(1.6) Hz using a measurement time per run of just 1 ms, representing an improvement of 200 beyond the traditional resolution limit. As such, our technique accelerates data acquisition by more than $10^5$ magnitude compared to conventional methods. Crucially, as our protocol is rooted in the motional Raman (quantum vector signal analyzer) framework, it is effective across an arbitrary frequency range and thus promises to enhance broadband sensing of electromagnetic fields and improve spectral efficiency of next-generation communication systems.
- Abstract（参考訳）: 量子ゆらぎのため、非直交量子状態は完全な確実性で区別できないため、基礎となる物理パラメータの解決は困難である。
伝統的に、系の直線幅はこれらの量子ゆらぎのように振る舞い、2つの振動する電磁場が適用されるように周波数分解能の究極の極限を設定する。
その結果、周波数差$\Delta \omega$を解くのに必要な測定時間を$\Delta \omega \rightarrow 0$と仮定した。
ここでは、線形幅は2つの密接な空間周波数の解消において決定的な役割を果たさないことを示す。
代わりに、究極の極限は、我々の場合のショットノイズのようなパラメータ非依存の量子ゆらぎによって設定される。
超解像分光のための最初の一般的なブロードバンドプロトコルを提案し,実験的に実証する。
具体的には、Walsh-modulated dynamical decoupling (WMDD) シーケンスを使用して、2つの未知のトーン間の$\Delta \omega$を量子状態に符号化する。
これにより位相情報を利用してパラメータ非依存のショットノイズを抑制し、信号対雑音比を高め、超解像分光を可能にする。
提案手法では,100MHzのランダムに選択された2つの振動電場を5Hzで分離し,周波数差5.0(1.6)Hzを1msで測定し,従来の分解限界を超える200の改善を示す。
これにより,従来の手法に比べてデータ取得を10^5$以上高速化する。
重要なことは、我々のプロトコルは運動ラマン(量子ベクトル信号アナライザ)フレームワークに根ざしているため、任意の周波数範囲で有効であり、電磁界のブロードバンドセンシングを強化し、次世代通信システムのスペクトル効率を向上させることを約束する。
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