論文の概要: Engineering multi-mode bosonic squeezed states using Monte-Carlo optimization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.15805v1
• Date: Wed, 19 Nov 2025 19:01:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-21 17:08:52.338579
• Title: Engineering multi-mode bosonic squeezed states using Monte-Carlo optimization
• Title（参考訳）: モンテカルロ最適化を用いた多モードボソニック圧縮状態の工学
• Authors: Jieqiu Shao, Diego A. R. Dalvit, Lukasz Cincio, Bharath Hebbe Madhusudhana,
• Abstract要約: ボソニック系のハミルトニアン制御系列を効率的に設計するために,モンテカルロに基づく最適化手法を開発した。 具体的には、光格子中のボース・アインシュタイン凝縮体を重力計やグラジオメトリーの応用に関係している。 一般に、ヒルベルト空間内には、中間QFIスケーリングを持つヒルベルト空間の有限の$mathcalO(1)$測度が存在することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.1259953341639576
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Bosonic systems, such as photons and ultracold atoms, have played a central role in demonstrating quantum-enhanced sensing. Quantum entanglement, through squeezed and GHZ states, enables sensing beyond classical limits. However, such a quantum advantage has so far been confined to two-mode bosonic systems, as analogous multi-mode squeezed states are non-trivial to prepare. Here, we develop a Monte-Carlo based optimization technique which can be used to efficiently engineer a Hamiltonian control-sequence for multi-mode bosonic systems to prepare multi-mode squeezed states. Specifically, we consider a Bose-Einstein condensate in an optical lattice, relevant for applications in gravimetry and gradiometry, and demonstrate that metrologically useful squeezed states can be generated using the Bose-Hubbard Hamiltonian which includes on-site atomic interactions, tunable via Feshbach resonances. By analyzing the distribution (density) of the quantum Fisher information (QFI) over the Hilbert space, we identify a characteristic \textit{intermediate scaling} of the QFI: $\mathcal{O}(N^2 L+L^2 N)$, which lies between the standard quantum limit (SQL) and the Heisenberg limit (HL) for $N$ atoms in $L$ modes. We show that in general, within the Hilbert space there is a finite, $\mathcal{O}(1)$ measure subset of Hilbert space with an intermediate QFI scaling. Therefore, one can find a Hamiltonian control sequence using a Monte Carlo optimization over random control sequences, that produces a state with intermediate scaling of the QFI. We assume an experimentally accessible range of the control parameters in the Hamiltonian resources and show that the intermediate scaling can be readily achieved. Our results indicate that the HL can be approached in quantum gravimetry using realistic experimental parameters for systems with $L=\mathcal{O}(1)$ and $N\gg L$.
• Abstract（参考訳）: 光子や超低温原子のようなボゾン系は、量子増強センシングの実証において中心的な役割を担っている。 量子絡み合いは、圧縮された状態とGHZ状態を通して、古典的な限界を超える感覚を可能にする。 しかし、このような量子的優位性は2モードのボソニック系に限られており、類似のマルチモード圧縮状態は準備が簡単ではない。 そこで我々は,マルチモードボソニックシステムのためのハミルトン制御系列を効率的に設計し,マルチモード圧縮状態を作成するモンテカルロに基づく最適化手法を開発した。 具体的には,光格子中のボース・アインシュタイン凝縮体を重力計やグラジオメトリーの応用に関係し,フェシュバッハ共鳴による原子間相互作用を含むボース・ハバード・ハミルトニアンを用いて,計量学的に有用な圧縮状態が生成できることを実証する。 ヒルベルト空間上の量子フィッシャー情報(QFI)の分布(密度)を分析することで、QFIの特徴的な \textit{intermediate scaling} を同定する: $\mathcal{O}(N^2 L+L^2 N)$。 一般に、ヒルベルト空間内には、中間QFIスケーリングを持つヒルベルト空間の有限で$\mathcal{O}(1)$測度部分集合が存在することを示す。 したがって、ランダム制御列に対するモンテカルロ最適化を用いてハミルトン制御列を見つけることができ、QFIの中間スケーリングを伴う状態を生成する。 我々は、ハミルトン資源における制御パラメータの実験的にアクセス可能な範囲を仮定し、中間スケーリングが容易に実現できることを示す。 以上の結果から, HL は $L=\mathcal{O}(1)$ および $N\gg L$ のシステムに対して, 現実的な実験パラメータを用いて量子重力測定においてアプローチできることが示唆された。

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