[論文レビュー] Spin-squeezing of a large-spin system via QND measurement

R. J. Sewell, Marco Koschorreck+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、合成光学量子非破壊（QND）測定を用いて、8.5×10⁵個のレーザー冷却リチウム-87原子の大きな集合体においてスピンスクリーニングとエンタングルメントを実証した。3.2 dBのノイズ低減とWineland基準による2.0 dBのスクリーニングが達成され、アライメントからオリエンテーションへの変換を介して磁場測定の感度が向上し、標準量子限界を超える計測的優位性が示された。

ABSTRACT

We report the generation of spin squeezing and entanglement in a magnetically-sensitive atomic ensemble, and entanglement-enhanced field measurements with this system. A maximal Raman coherence is prepared in an ensemble of 8.5x10^5 laser-cooled Rb-87 atoms in the f=1 hyperfine ground state, and the collective spin is squeezed by synthesized optical quantum non-demolition measurement. This prepares a state with large spin alignment and noise below the projection-noise level in a mixed alignment-orientation variable. 3.2dB of noise reduction is observed and 2.0dB of squeezing by the Wineland criterion, implying both entanglement and metrological advantage. Enhanced sensitivity is demonstrated in field measurements using alignment-to-orientation conversion.

研究の動機と目的

• スピンスクリーニングとエンタングルメントを大スピン原子集合体で生成し、量子計測を向上させること。
• 状態を破壊せずに集団スピンを射影的に測定できる合成光学量子非破壊（QND）測定を実装すること。
• 混合アライメント・オリエンテーション変数における投影ノイズ限界を下回るノイズ低減を達成することで、計測的優位性を実証すること。
• スピンスクリーニング状態におけるアライメントからオリエンテーションへの変換を用いて、磁場感度を向上させること。
• マクロな原子系において測定可能なスクリーニングパラメータを用いて、Wineland基準によるエンタングルメントの妥当性を検証すること。

提案手法

• 8.5×10⁵個のレーザー冷却Rb-87原子を、大きな集団スピン系を形成するため、f=1ハイパーファイン基底状態に準備する。
• 最大のラマンコherーを設計し、高いスピンアライメントを持つ重ね合わせ状態に初期化する。
• プローブビームを用いて合成光学QND測定を実行し、状態を破壊せずに集団スピンの投影を測定する。
• QND相互作用を設計し、混合アライメント・オリエンテーション観測量における量子ノイズを低減したスピンスクリーニング状態にシステムを射影する。
• 得られた状態は、Wineland基準およびノイズ低減係数を用いて定量化された標準量子限界を下回るノイズを示す。
• アライメントからオリエンテーションへの変換を用いて、場の測定を実施し、スクリーニング状態の利点を活用して感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QND測定方式を用いて、大スピン原子集合体でスピンスクリーニングとエンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 混合アライメント・オリエンテーション変数において、量子ノイズはどの程度投影ノイズ限界を下回るか？
• RQ3 生成されたスピンスクリーニング状態は、磁場センシングにおいて測定可能な計測的優位性を提供するか？
• RQ4 アライメントからオリエンテーションへの変換は、量子的優位性を効果的に高感度場測定に転送できるか？
• RQ5 光学QND技術を用いて、マクロな原子系でどの程度のスクリーニングが定量的に達成可能か？

主な発見

• 集団スピン測定において3.2 dBの量子ノイズ低減が観測され、顕著なスピンスクリーニングが示された。
• Wineland基準により2.0 dBのスクリーニングが確認され、大スピン系におけるエンタングルメントの定量的証明が得られた。
• スピンスクリーニング状態は、アライメントからオリエンテーションへの変換を介して、磁場測定の感度向上を可能にした。
• システムは、場のセンシング性能において標準量子限界を超える計測的優位性を達成した。
• 制御された原子集合体において、マクロスピンエンタングルメントを生成・利用する可能性が実証された。
• 合成光学QND測定は、大規模原子集合体において顕著なデコherenceを伴わずに、低ノイズでエンタングル状態を効果的に準備できた。