[論文レビュー] Quantum metrology based on strongly correlated matter

Soonwon Choi, Norman Y. Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Quantum many-body systems被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、周期的駆動と相互作用によって安定化される強相関・非平衡状態を用いた量子メトロロジー手法を提案する。この手法により、スピン系における振動磁場のロバストで高感度な検出が可能になる。フロケ工学を用いてエンタングルド多体状態を保護し、量子相転移付近での臨界性に起因する増幅効果を活用することで、デコherenceを抑制し、信号対雑音比と帯域幅を向上させる。

ABSTRACT

We propose and analyze a new method for quantum metrology based on stable non-equilibrium states of quantum matter. Our approach utilizes quantum correlations stabilized by strong interactions and periodic driving. As an example, we present an explicit protocol to perform Floquet enhanced measurements of an oscillating magnetic field in Ising-interacting spin systems. Our protocol allows one to circumvent the interaction-induced decoherence associated with high density spin ensembles and is robust to the presence of noise and imperfections. Applications to nanoscale magnetic sensing and precision measurements are discussed.

研究の動機と目的

• 高密度スピン系を用いた量子センシングにおいて、相互作用に起因するデコherenceが及える根本的限界を克服すること。
• 多体量子相関および非平衡ダイナミクスを活用し、標準量子限界を超える測定感度および帯域幅を向上させること。
• 実験的不完全性および静的摂動に対して効果を保つロバストなセンシングプロトコルを開発すること。
• 周期的駆動によるトポロジカル保護と臨界量子相を用いた高精度測定の可能性を示すこと。
• NVセンターおよび2次元スピン系を含むプラットフォームを用いて、ナノスケール磁場センシングおよびaxionの検出など、微弱信号の検出に実用的応用を可能とすること。

提案手法

• 強力なイジング相互作用と周期的駆動を用いて、長寿命でエンタングルドされた多体状態（シュレーディンガーの猫状態に類似）を安定化するフロケ駆動スピン系を設計する。
• 周期的 $\pi$-パulses を用いて準エネルギー間隙を生成し、静的摂動から系を保護し、量子コherencyを維持する。
• 3段階のセンシングプロトコルを実装する：(1) 量子臨界点付近での断熱的初期化、(2) 低エネルギー励起状態に共鳴的に結合する信号駆動の振動磁場の印加、(3) 奇・偶性測定または広義の観測量による読み出し。
• パリティ測定を集合的スピン反転励起状態数のカウントに置き換えることで、アンサンブル系実験におけるスケーラビリティを実現する。
• 量子相転移付近での臨界性を活用し、相関長 $\xi$ およびスケーリング次元 $\eta$ を外部信号への応答に調整する。
• 信号対雑音比のスケーリングとして $\partial_B N_{\text{e}} / \delta N_{\text{e}} \sim \sqrt{N} T_s (J T_p)^{\eta/(z\nu+1)}$ を導出し、最適駆動条件下で感度が向上することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強相関・非平衡量子状態を用いることで、標準量子限界を超えた量子メトロロジーが可能になるか？
• RQ2 通常はコherencyを損なう要因となる多体相互作用を、どのように測定感度および帯域幅の向上に活用できるか？
• RQ3 周期的駆動と準エネルギー間隙は、多体系におけるエンタングル状態のデコherenceおよびノイズに対して、どの程度保護効果を示すか？
• RQ4 駆動スピン系における臨界性は、微弱な振動磁場への応答を強化できるか？
• RQ5 アンサンブル系量子センシングにおいて、壊れやすいパリティ測定をスケーラブルな広義の観測量に置き換えることは可能か？

主な発見

• 1次元イジング系において、感度スケーリングが $\delta B^{-1} \sim \sqrt{NT\bar{T}_2}(J\bar{T}_2)^{3/16}$ に達し、臨界性と多体相関を活用することで、標準限界を上回ることを示した。
• パルス強度および持続時間の不完全性に対してもロバストであり、ノイズの多い実験環境における実用的実装が可能である。
• 横磁場 $\Omega$ を臨界点 $\Omega_c$ の近くに調整することで、発散する相関長 $\xi$ およびスケーリング次元 $\eta = 3/8$ に起因した感度向上が達成される。
• パリティ測定の代わりに集合的励起状態数のカウントを用いることで、単一スピン分解能が不要なアンサンブル系におけるスケーラブルなセンシングが可能になる。
• 周期的駆動により、対称性破れ摂動が一次に抑制され、高速駆動極限では高次項の抑制も期待できる。
• 本プロトコルは、ダイヤモンド中の窒素・バケーションセンターおよび六方炭化硼（h-BN）や13C豊富化グラフェン中の2次元スピンアンサンブルなど、実現可能なプラットフォームで実装可能であり、ナノスケール磁場センシングおよびaxion検出を可能にする。