[論文レビュー] Spontaneous-symmetry-breaking assisted quantum sensors

Peter A. Ivanov, Kilian Singer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、量子ラビ模型の自発的対称性破れの断熱遷移を用いた量子センシング方式を提案し、1 yN/√Hz未満の感度で極めて弱い力を検出することを可能にする。単一の捕獲イオンの状態を断熱的にシュレーディンガーの猫状態に進化させることで、力の情報がスピン状態の分布測定に符号化され、フォノン数に基づくプロトコルよりも高速かつ高感度な検出が実現される。

ABSTRACT

We propose a quantum sensing scheme for measuring weak forces based on a symmetry-breaking adiabatic transition in the quantum Rabi model. We show that the system described by the Rabi Hamiltonian can serve as a sensor for extremely weak forces with sensitivity beyond the yN $/\sqrt{ ext{Hz}}$ range. We propose an implementation of this sensing protocol using a single trapped ion. A major advantage of our scheme is that the force detection is performed by projective measurement of the population of the spin states at the end of the transition, instead of the far slower phonon number measurement used hitherto.

研究の動機と目的

• 量子多体系を用いてアトニュートン未満の力を検出可能な量子センシングプロトコルの開発を目的とする。
• 従来のフォノン数測定プロトコルにおける速度制限を克服することを目的とする。
• 量子ラビ模型における自発的対称性破れを、高感度力検出のメカニズムとして活用することを目的とする。
• 現在の捕獲イオン技術を用いて、1 yN未満の力感度を実現可能であることを示すこと。
• 磁場勾配やスターリング場勾配に起因するスピン依存力、例えばイオントラップ内での磁気双極子モーメントの検出能力への拡張を目的とする。

提案手法

• 系は、大きな横方向ラビ周波数を持つ未摂動量子ラビハミルトニアンの基底状態で初期化される。
• 横方向磁場を断熱的に減少させることで、系は量子相転移を経て、コherent状態の重ね合わせ（シュレーディンガーの猫状態）に移行する。
• 弱い外部力の摂動が系のパリティ対称性を破り、その影響が猫状態成分の相対位相および振幅に反映される。
• 力の検出は、最終的なスピン状態の分布の射影測定により実現され、フォノン数測定に比べて遅延のない高速な測定が可能になる。
• 対称性破れ領域における有効ハミルトニアンは2準位系としてモデル化され、時間発展演算子の解析的解法と信号抽出が可能になる。
• プロトコルは、レーザーまたはマイクロ波場を用いてラビ周波数とスピン-ボソン結合を制御する単一捕獲イオンで実装される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ラビ模型における自発的対称性破れを、1 yN/√Hz未満の力検出に活用できるか？
• RQ2 基底状態をシュレーディンガーの猫状態に断熱的に進化させることで、従来のフォノン数測定と比較して力感度がどのように向上するか？
• RQ3 本プロトコルを用いた単一捕獲イオンで達成可能な力感度の根本的限界は何か？
• RQ4 本方式は、磁場またはスターリング場勾配に起因するスピン依存力（例えば磁気双極子モーメント）を検出可能か？
• RQ5 ラビ振動に基づく既存プロトコルと比較して、測定速度はどのように異なるか？

主な発見

• 本方式は、現在の捕獲イオン技術を用いて1 yN/√Hz未満の力感度を達成し、アトニュートンおよびゼプトニュートン領域の既存の限界を上回る。
• 力は断熱的進化後のスピン状態の分布に符号化され、単一の射影測定により検出可能であり、フォノン数測定に比べて著しく高速である。
• 信号は tanh(πgz₀F_d/(ħγω)) に比例し、弱い力に対して非線形かつ極めて感度の高い応答を示す。
• 系が断熱遷移を経る際に信号の分散が最小化され、信号対雑音比が最大化される。
• 磁気双極子モーメントの検出にも適用可能であり、1 T/mの勾配下で2μ_Bの磁気モーメントからの9 yNの力も検出可能である。
• 本プロトコルは、窒素空孔中心やキャビティ内に配置された超伝導キュービットなど、他の系に対してもロバストかつ汎用的に適用可能である。