[논문 리뷰] Bath-induced correlations lead to sub-shot-noise thermometry precision

Guim Planella Planas, Marina F. B. Cenni외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 31.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비상호작용 프로브를 사용하여 냉각된 보스온 배경과 상호작용시켜 비평형 안정 상태에 도달하는 온도 측정 프로토콜을 제안한다. 여기서 배경에 의해 유도된 고전적 상관관계가 온도 측정 정밀도를 향상시킨다. 초기 프로브의 얽힘 또는 동적 제어가 없음에도 불구하고 이러한 상관관계는 샷노이즈 이하의 정밀도를 가능하게 하며, 저온에서 양자 피셔 정보를 최대 두 개의 지수만큼 증가시킨다.

ABSTRACT

We study the role of bath-induced correlations in temperature estimation of cold Bosonic baths. Our protocol includes multiple probes, that are not interacting, nor are they initially correlated to each other. They interact with a Bosonic sample and reach a non-equilibrium steady state, which is measured to estimate the temperature of the sample. It is well-known that in the steady state such non-interacting probes may get correlated to each other and even entangled. Nonetheless, the impact of these correlations in metrology has not been deeply investigated yet. Here, we examine their role for thermometry of cold Bosonic gases and show that, although being classical, bath-induced correlations can indeed lead to sub-shot-noise precision for thermometry at low temperatures; e.g., for a probe of $30$ non-interacting impurities they can enhance the quantum Fisher information by two orders of magnitude. The proposed thermometry scheme here does not require precise dynamical control of the probes and tuning the parameters, as it is build upon the non-equilibrium steady state of a non-interacting system. Our results put forward new possibilities in thermometry at low temperatures, of relevance for instance in cold gases and Bose--Einstein condensates.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 보스온 시스템에서의 양자 온도 측정에서 배경에 의해 유도된 상관관계의 역할을 조사하는 것.
• 공통된 배경에 존재하는 비상호작용 프로브에서 유도된 고전적 상관관계가 온도 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는지 확인하는 것.
• 정밀한 동적 제어나 프로브 파rameter 조정을 피하는 실용적인 온도 측정 기법을 개발하는 것.
• 다체계에서의 비평형 안정 상태가 고정밀 측정에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 비상호작용 프로브를 사용하여 보스온 배경과 상호작용시키고 비평형 안정 상태로 진화시키는 방법.
• 프로브 간의 안정 상태 상관관계를 측정하여 배경의 온도를 추론하는 방법.
• 측정 정밀도의 척도로 양자 피셔 정보(QFI)를 사용하는 방법.
• 배경에 의해 유도된 상관관계가 QFI에 기여하는 바를 분석하고, 초기 얽힘과의 차이를 명확히 하는 방법.
• 저온 영역에서 QFI를 계산하기 위해 분석적 및 수치적 방법을 사용하는 방법.
• 배경에 의해 유도된 상관관계만으로도 온도 측정에서 샷노이즈 이하의 스케일링을 달성할 수 있음을 보여주는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상호작용 프로브에서 유도된 배경에 의한 상관관계가 온도 측정의 샷노이즈 이하 정밀도를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 배경에 의해 유도된 상관관계는 초기 얽힘과 비교하여 온도 측정 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 비평형 안정 상태가 동적 제어 없이 고정밀 온도 측정을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 저온 영역에서 안정 상태의 고전적 상관관계가 얼마나 샷노이즈 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ5 배경에 의해 유도된 상관관계만 존재할 경우, 프로브의 수에 따라 양자 피셔 정보는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 비록 고전적 성격을 지닌다 할지라도, 배경에 의해 유도된 상관관계는 냉각된 보스온 배경에서 온도 측정 정밀도를 크게 향상시킨다.
• 30개의 비상호작용 불순물로 구성된 시스템에서, 저온 영역에서 배경에 의해 유도된 상관관계는 양자 피셔 정보를 최대 두 개의 지수만큼 증가시킨다.
• 초기 얽힘 또는 프로브의 정밀한 동적 제어가 필요 없음에도 불구하고 샷노이즈 이하의 정밀도를 달성한다.
• 프로브 시스템의 비평형 안정 상태는 고정밀 온도 측정에 있어 견고한 플랫폼을 제공한다.
• 정밀도 향상은 초기 또는 동적 얽힘과는 무관하게 공통된 배경 상호작용에 의해 유도된 상관관계에서 기인한다.
• 제안된 기법은 저온 영역에서 특히 효과적이며, 냉각된 원자 및 보즈아인슈타인 응집체 실험에 관련성이 있다.