論文の概要: Quantum Confocal Microscopy in Fock Space with a 19 dB Metrological Gain
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.23254v1
- Date: Thu, 26 Feb 2026 17:27:45 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-27 18:41:22.813914
- Title: Quantum Confocal Microscopy in Fock Space with a 19 dB Metrological Gain
- Title（参考訳）: 19dBトポロジカルゲインを有するフォック空間における量子共焦点顕微鏡
- Authors: Ziyue Hua, Chuanlong Ma, Yilong Zhou, Yifang Xu, Zi-Jie Chen, Weizhou Cai, Jiajun Chen, Lintao Xiao, Hongwei Huang, Weiting Wang, Hekang Li, Haohua Wang, Ming Li, Chang-Ling Zou, Luyan Sun,
- Abstract要約: フォック空間に量子共焦点顕微鏡を導入する。
第1レンズは、厳密な光子数分布を持つ量子プローブにコヒーレントな状態に決定的に焦点を合わせている。
第2のレンズは、メトロジー情報を真空状態に戻して効率的な読み出しを行う。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 14.259530170243474
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum metrology promises measurement precision beyond classical limits by exploiting large-scale quantum states, yet realizing this advantage faces two fundamental challenges: the deterministic preparation of non-trivial quantum probes and the efficient extraction of metrological information in high-dimensional Hilbert spaces. Here, we introduce quantum confocal microscopy in Fock space that simultaneously resolves both challenges. Drawing a direct analogy between classical wave optics and quantum state evolution in a bosonic mode, we construct a confocal system with two Fock-space lenses. The first lens deterministically focuses a coherent state into a quantum probe with a tightly concentrated photon-number distribution, while the second lens maps the metrological information back to the vacuum state for efficient readout. Using a superconducting circuit QED platform, we prepare focused probe states with mean photon numbers up to ${N} = 500$, achieving a 21.5$\pm$1.1 dB compression of the photon-number uncertainty relative to a coherent state, with a scalable quantum circuit of $\mathcal{O}(1)$ operational depth. We demonstrate a displacement sensitivity scaling as $N^{-0.416}$, approaching the Heisenberg scaling ($N^{-0.5}$), and achieve a record metrological gain of 19.06$\pm$0.13 dB beyond the standard quantum limit. This work establishes quantum confocal microscopy as a scalable and practical framework for quantum-enhanced precision measurement, readily extendable to other bosonic platforms and high-dimensional quantum many-body systems.
- Abstract（参考訳）: 量子距離論は、大規模な量子状態を活用することによって古典的限界を超える測定精度を約束するが、この利点を実現するには、非自明な量子プローブの決定論的準備と、高次元ヒルベルト空間におけるメトロジー情報の効率的な抽出という2つの根本的な課題に直面する。
ここでは、両課題を同時に解決するFock空間に量子共焦点顕微鏡を導入する。
古典的波動光学と量子状態の進化をボソニックモードで直接的に類似させて、2つのフォック空間レンズを持つ共焦点系を構築する。
第1のレンズは、密集光子数分布を持つ量子プローブにコヒーレントな状態を決定的に焦点を合わせ、第2のレンズは、メトロジー情報を真空状態にマッピングして効率的な読み出しを行う。
超伝導回路QEDプラットフォームを用いて、平均光子数${N} = 500$の集束プローブ状態を作成し、21.5$\pm$1.1dBの光子数のコヒーレントな状態に対する不確実性の圧縮を、$\mathcal{O}(1)$操作深さのスケーラブルな量子回路で達成する。
我々は、変位感度のスケーリングを$N^{-0.416}$として示し、ハイゼンベルクスケーリング(N^{-0.5}$)に近づき、標準量子限界を超える19.06$\pm$0.13 dBの記録的増加を達成する。
この研究は、量子共焦点顕微鏡を、他のボソニックプラットフォームや高次元量子多体システムに容易に拡張可能な、量子強調精度測定のためのスケーラブルで実用的なフレームワークとして確立する。
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