[論文レビュー] Measurements with prediction and retrodiction on the collective spin of 10^{11} atoms beat the standard quantum limit

Han Bao, Junlei Duan+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 22被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、過去の量子状態（PQS）理論を用いて、以前および以降の量子非破壊（QND）測定に条件づけられた測定を実行することにより、1.87×10¹¹個の高温ルビジウム原子の集団スピンにおいて、標準量子限界（SQL）未満の量子ノイズ低減を実証した。この手法により、5.6 dBの条件付きノイズ低減と4.5±0.40 dBのスピンスクリーニングが達成され、10¹¹原子の原子集団における最小ノイズ感度という記録を樹立した。

ABSTRACT

Quantum probes using $N$ uncorrelated particles give a limit on the measurement sensitivity referred to as the standard quantum limit (SQL). The SQL, however, can be overcome by exploiting quantum entangled states, such as spin squeezed states. We report generation of a quantum state, that surpasses the SQL for probing of the collective spin of $10^{11}$ $ ext{Rb}$ atoms contained in a vapor cell. The state is prepared and verified by sequences of stroboscopic quantum non-demolition (QND) measurements, and we apply the theory of past quantum states to obtain the spin state information from the outcomes of both earlier and later QND measurements. In this way, we obtain a conditional noise reduction of 5.6 dB, and a metrologically-relevant squeezing of $4.5\pm0.40~ ext{dB}$. The past quantum state yields tighter information on the spin component than we can obtain by a conventional QND measurement. Our squeezing results are obtained with 1000 times more atoms than in any previous experiments with a corresponding record $4.6 imes10^{-13} rad^2$ variance of the angular fluctuations of a squeezed collective spin.

研究の動機と目的

• マクロな原子集団の集団スピン測定において、標準量子限界（SQL）を超えること。
• 過去量子状態（PQS）形式を用いて、過去と未来の測定データを統合することで、従来の前方条件付きQND測定を上回る測定精度を実現すること。
• 10¹¹原子のシステムで記録的な量子ノイズ低減を達成し、量子センシング応用における感度向上を可能にすること。
• 高温・常温の蒸気セル系において、PQSアプローチを実験的に検証すること。

提案手法

• 1.87×10¹¹個のルビジウム原子の集団スピンにおいて、スピンスクリーニング状態の準備と検証に、ストロボスコピック量子非破壊（QND）測定を用いる。
• 過去量子状態（PQS）形式を適用し、スピン成分の推定を、測定前の結果と測定後の結果の両方に条件づけることで、推定の正確性を向上させる。
• 3パルスQND方式を採用：最初のパルスで系を準備し、2番目のパルスで状態を検証し、3番目のパルスで測定結果を取得する。全測定記録を用いて逆推定を実行する。
• スピンスクリーニングの定量的評価にWineland基準を適用し、観測されたノイズ低減の計測的意味を保証する。
• パルス幅（τ₁=1.4 ms、τ₂=0.037 ms、τ₃=1.7 ms）を最適化し、デコherenceと光子誘発スピン緩下を最小限に抑えるとともに、スクリーニングを最大化する。
• 測定結果の後方条件付き処理と比較することで、後続測定データを組み込む利点を明確に分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子測定の条件づけを用いて、10¹¹原子の集団スピンにおいて、標準量子限界を超えることは可能か？
• RQ2 過去量子状態形式を用いて、過去と未来の測定結果を統合することで、前方のみの条件づけに比べてスピン成分の推定精度が向上するか？
• RQ3 逆推定測定技術を用いて、マクロで常温の原子集団において、得られる最大のスピンスクリーニングとノイズ低減は何か？
• RQ4 長時間にわたるプロービングによるデコherenceは、QNDベースのスピンスクリーニングプロトコルの性能にどのように影響を及ぼすか？また、測定順序を再編することでこれを緩和できるか？
• RQ5 PQSアプローチは、時間変動する磁場などの一時的摂動に対して、量子センサの感度を向上させることができるか？

主な発見

• 過去量子状態形式を用いて、測定前の結果と測定後の結果の両方を活用することで、5.6 dBの条件付きノイズ低減が達成された。
• Wineland基準を用いて測定されたスピンスクリーニングは4.5±0.40 dBであり、この規模のシステムで記録された最高のスクリーニングである。
• 本システムには1.87×10¹¹個の高温ルビジウム原子が含まれており、これは、これまでにSQL未満の感度を示した実験で観察された原子数の1000倍に相当する。
• スクリーニングされた集団スピンの角度スピン分散は4.6×10⁻¹³ rad²に達し、これまで報告された中で最小の値である。
• 3パルスPQSプロトコルは、従来の2パルス前方条件付き方式を上回り、4.5 dBのスクリーニングを達成したのに対し、後者では2.3 dBにとどまった。
• 性能の向上は、測定結果間の相関が強まり、スピン緩下効果を最小限に抑えるために測定を時間的に再順序化したことに起因するとされる。