[論文レビュー] Bath-induced correlations lead to sub-shot-noise thermometry precision

Guim Planella Planas, Marina F. B. Cenni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非相互作用のプローブが冷たいボソン系バースに相互作用することで非平衡定常状態に達する熱力学的プロトコルを提案する。この状態において、バースに起因する古典的相関が温度推定の精度を向上させる。初期のプローブのエンタングルメントやダイナミカル制御がなくても、これらの相関によりショットノイズ未満の精度が達成され、低温においては量子フィッシャー情報が最大で2桁の増加を示す。

ABSTRACT

We study the role of bath-induced correlations in temperature estimation of cold Bosonic baths. Our protocol includes multiple probes, that are not interacting, nor are they initially correlated to each other. They interact with a Bosonic sample and reach a non-equilibrium steady state, which is measured to estimate the temperature of the sample. It is well-known that in the steady state such non-interacting probes may get correlated to each other and even entangled. Nonetheless, the impact of these correlations in metrology has not been deeply investigated yet. Here, we examine their role for thermometry of cold Bosonic gases and show that, although being classical, bath-induced correlations can indeed lead to sub-shot-noise precision for thermometry at low temperatures; e.g., for a probe of $30$ non-interacting impurities they can enhance the quantum Fisher information by two orders of magnitude. The proposed thermometry scheme here does not require precise dynamical control of the probes and tuning the parameters, as it is build upon the non-equilibrium steady state of a non-interacting system. Our results put forward new possibilities in thermometry at low temperatures, of relevance for instance in cold gases and Bose--Einstein condensates.

研究の動機と目的

• 冷たいボソン系における量子熱力学において、バースに起因する相関の役割を調査すること。
• 共通のバースに接続された非相互作用プローブから生じる古典的相関が、温度推定の精度を向上させることを特定すること。
• プローブパラメータの正確なダイナミカル制御や調整を回避する実用的な熱力学計画を開発すること。
• 多数体系における非平衡定常状態が、高精度メタロロジーにどのように利用可能かを検討すること。

提案手法

• ボソン系バースに結合する複数の非相互作用プローブを用い、非平衡定常状態に至らせる。
• プローブ間の定常状態における相関を測定し、バースの温度を推定する。
• 推定精度の指標として、量子フィッシャー情報（QFI）を用いる。
• バースに起因する相関がQFIに与える寄与を、初期エンタングルメントとは区別して分析する。
• 低温領域におけるQFIを解析的および数値的手法で計算する。
• バースによる相関のみが、温度推定においてショットノイズ未満のスケーリングを実現できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相互作用プローブにおけるバースに起因する相関は、温度推定においてショットノイズ未満の精度をもたらすか？
• RQ2 バースに起因する相関は、初期エンタングルメントと比較して、熱力学的感受性をどのように向上させるか？
• RQ3 非平衡定常状態は、ダイナミカル制御なしに高精度熱力学を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 低温領域において、定常状態の古典的相関がどの程度ショットノイズの限界を超えるか？
• RQ5 初期エンタングルメントやダイナミカルエンタングルメントが存在しない状況で、量子フィッシャー情報はプローブ数に対してどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 古典的性質を有するバースに起因する相関は、冷たいボソン系バースにおける温度推定精度を顕著に向上させる。
• 30個の非相互作用インパルティが存在する系において、低温領域でバースに起因する相関が量子フィッシャー情報を最大で2桁増加させる。
• 初期エンタングルメントやプローブの正確なダイナミカル制御が不要な状況でも、ショットノイズ未満の精度が達成される。
• プローブ系の非平衡定常状態は、高精度熱力学のための頑健なプラットフォームを提供する。
• 精度の向上は、共通のバースとの相互作用によって誘導される相関に起因し、初期またはダイナミカルエンタングルメントとは無関係である。
• 提案された計画は低温領域において特に効果的であり、冷たい原子やボーズ＝アインシュタイン凝縮体の実験に実用的である。