[論文レビュー] Quantum noise squeezing and entanglement on the atomic clock transition

J. Appel, Patrick Windpassinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2008

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、時計遷移準位における二色光量子非破壊（QND）測定を用いて、約10^5個の冷たいセシウム原子において、計測的に重要な量子ノイズ圧縮3.4 dBおよびもつれを実証した。この手法は測定によるデコherenceを最適化することで、原子時計における有用なもつれを生成するための最適なバランスを達成し、二色光QNDプロトコルが単一色光アプローチを上回ることを示している。

ABSTRACT

Squeezing of quantum fluctuations by means of entanglement is a well recognized goal in the field of quantum information science and precision measurements. In particular, squeezing the fluctuations via entanglement between two-level atoms can improve the precision of sensing, clocks, metrology, and spectroscopy. Here, we demonstrate 3.4 dB of metrologically relevant squeezing and entanglement for ~ 10^5 cold cesium atoms via a quantum nondemolition (QND) measurement on the atom clock levels. We show that there is an optimal degree of decoherence induced by the quantum measurement which maximizes the generated entanglement. A two-color QND scheme used in this paper is shown to have a number of advantages for entanglement generation as compared to a single color QND measurement.

研究の動機と目的

• 量子センシングおよび原子時計の精度向上を目的として、大規模な冷たいセシウム原子アンサンブルにおける計測的に有用な量子もつれを生成すること。
• QNDベースの手法における測定によるデコherenceがもつれ生成に与える影響を調査すること。
• 二色光QND測定と単一色光QND測定の間で、もつれ生成性能を比較すること。
• 本系においてもつれ生成を最大化する最適なデコherenceレベルを同定すること。

提案手法

• 時計状態の重ね合わせを崩さずに、約10^5個の冷たいセシウム原子の集団スピン状態をプローブするため、二色光量子非破壊（QND）測定が用いられた。
• QND相互作用により集団観測量を測定することで原子をもつれさせ、結果として時計遷移における量子ノイズを低減した。
• 測定プロセスによって引き起こされるデコherenceの度合いを制御することで、もつれ生成に最適なバランスを見出すようにシステムを設計した。
• 二色光スキームは、単一色QNDと比較して測定効率を向上させるとともに、バックアクションノイズを低減するため、二種類のレーザー場を用いた。
• スピン圧縮パラメータを用いて量子ノイズ低減を定量的に評価し、圧縮度はデシベル（dB）単位で測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QND測定を用いた場合、大規模な冷たいセシウム原子アンサンブルで達成可能な量子ノイズ圧縮の最大レベルは何か？
• RQ2 測定によるデコherenceの度合いが、生成されるもつれに与える影響は何か？
• RQ3 二色光QNDスキームは、原子時計のもつれ生成において、単一色QNDスキームを上回ることができるか？
• RQ4 本系において、もつれ生成を最大化する最適なデコherenceレベルが存在するか？

主な発見

• 実験では、計測的に重要なスピン圧縮が3.4 dB達成され、高精度測定における量子ノイズの顕著な低減が示された。
• もつれ生成を最大化する明確な最適デコherenceレベルが存在し、測定強度とバックアクションの間のトレードオフが実証された。
• 二色光QNDスキームは、測定バックアクションの制御性が向上しノイズが低減されるため、単一色QNDに比べてより高品質なもつれ生成を可能にした。
• 大規模なアンサンブル（約10^5個の冷たいセシウム原子）においてもつれが成功裏に生成され、実用的な原子時計への応用に適していることが示された。