論文の概要: Quantum sensing of a quantum field

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.22361v1
• Date: Fri, 26 Sep 2025 13:56:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-29 20:57:54.474552
• Title: Quantum sensing of a quantum field
• Title（参考訳）: 量子場の量子センシング
• Authors: Ricard Ravell Rodríguez, Martí Perarnau-Llobet, Pavel Sekatski,
• Abstract要約: 2レベル原子と相互作用させることにより、コヒーレント量子化場の振幅が推定されることを示す。 どちらの気象シナリオにおいても、原子プローブの減少状態の量子フィッシャー情報(QFI)に焦点を当てる。 大振幅$alpha$の極限において、QFIはその最大値が$tau =O(1)$および$tau =O(alpha2)$で1.47$に達し、また、ずっと後の周期的復活を示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Estimating a classical parameter encoded in the Hamiltonian of a quantum probe is a fundamental and well-understood task in quantum metrology. A textbook example is the estimation of a classical field's amplitude using a two-level probe, as described by the semi-classical Rabi model. In this work, we explore the fully quantum analogue, where the amplitude of a coherent quantized field is estimated by letting it interact with a two-level atom. For both metrological scenarios, we focus on the quantum Fisher information (QFI) of the reduced state of the atomic probe. In the semi-classical Rabi model, the QFI is independent of the field amplitude and grows quadratically with the interaction time $\tau$. In contrast, when the atom interacts with a single coherent mode of the field, the QFI is bounded by 4, a constant dictated by the non-orthogonality of coherent states. We find that this bound can only be approached in the vacuum limit. In the limit of large amplitude $\alpha$, the QFI is found to attain its maximal value $1.47$ at $\tau =O(1)$ and $\tau =O(\alpha^2)$, and also shows periodic revivals at much later times. When the atom interacts with a sequence of coherent states, the QFI can increase with time but is bounded to scale linearly due to the production of entanglement between the atom and the radiation (back-action), except in the limit where the number of modes and their total energy diverge. Finally, in the continuous limit, where the atom interacts with many weak coherent states, this back-action can be simply interpreted as spontaneous emission, giving rise to the optimal interaction time and QFI rate.
• Abstract（参考訳）: 量子プローブのハミルトニアンで符号化された古典的パラメータを推定することは、量子力学における基本的でよく理解されたタスクである。 教科書の例は、半古典的ラビモデルによって記述された2レベルプローブを用いて古典場の振幅を推定するものである。 本研究では、コヒーレント量子化場の振幅を2レベル原子と相互作用させることにより推定する完全量子アナログについて検討する。 どちらの気象シナリオにおいても、原子プローブの減少状態の量子フィッシャー情報(QFI)に焦点を当てる。 半古典的ラビモデルでは、QFIは場の振幅とは独立であり、相互作用時間$\tau$と2次的に成長する。 対照的に、原子が場の1つのコヒーレントモードと相互作用するとき、QFIは4で有界であり、コヒーレント状態の非直交性によって定まる定数である。 この境界は真空限界にのみ近づくことができる。 大振幅$\alpha$の極限において、QFIはその最大値が$\tau =O(1)$および$\tau =O(\alpha^2)$で1.47$に達し、また、ずっと後の周期的復活を示す。 原子がコヒーレントな状態の列と相互作用する場合、QFIは時間とともに増加するが、モードの数と総エネルギーが分岐する極限を除いて、原子と放射(バックアクション)の間の絡み合いの生成によって線形にスケールするように制限される。 最後に、原子が多くの弱いコヒーレント状態と相互作用する連続的な極限において、このバックアクションは単に自然放出と解釈され、最適な相互作用時間とQFI速度をもたらす。

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