[논문 리뷰] Distributed quantum sensing with a mode-entangled network of spin-squeezed atomic states

Benjamin K. Malia, Yunfan Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 12.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 최대 네 개의 노드에 걸쳐 모드-엔트랑글된 스핀 스쿼이저드 원자 상태를 사용하는 분산 양자 센서 네트워크를 구현하여 국소적 엔트랑글레먼트를 통해 정밀도를 향상시킨다. 공유된 양자 비파괴 측정(QND)을 통해 공간적으로 분리된 원자 모드를 엔트랑글레잉함으로써 네트워크는 비국소적 엔트랑글레먼트를 실현하고, 비엔트랑글된 네트워크보다 최대 4.5 dB 높은 정밀도와 양자 프로젝션 노이즈 한계(QPN)를 초월해 11.6 dB 향상된 성능을 달성한다. 이는 네트워크 크기에 따라 향상된 스케일링을 검증한다.

ABSTRACT

Quantum sensors are used for precision timekeeping, field sensing, and quantum communication. Comparisons among a distributed network of these sensors are capable of, for example, synchronizing clocks at different locations. The performance of a sensor network is limited by technical challenges as well as the inherent noise associated with the quantum states used to realize the network. For networks with only local entanglement at each node, the noise performance of the network improves at best with square root of the number of nodes. Here, we demonstrate that nonlocal entanglement between network nodes offers better scaling with network size. A shared quantum nondemolition measurement entangles a clock network with up to four nodes. This network provides up to 4.5 dB better precision than one without nonlocal entanglement, and 11.6 dB improvement as compared to a network of sensors operating at the quantum projection noise limit. We demonstrate the generality of the approach with atomic clock and atomic interferometer protocols, in scientific and technologically relevant configurations optimized for intrinsically differential comparisons of sensor outputs.

연구 동기 및 목표

• 분산 양자 센서의 기본 정밀도 한계를 극복하기 위해, 이는 양자 프로젝션 노이즈(QPN) 한계 하에서 1/√M 스케일링을 따르기 때문이다.
• 공간적으로 분리된 센서 노드 간의 비국소적 엔트랑글레먼트가 국소적 엔트랑글레먼트 또는 분리된 상태보다 헤이젠베르크 한계(1/M)에 더 가까운 스케일링 가능성을 보여주기 위해.
• 공유된 QND 측정을 통해 다수의 원자 군집 간에 모드-엔트랑글레먼트를 생성함으로써, 확장 가능한 네트워크 아키텍처를 구현하고 검증하기 위해.
• 원자 시계 및 원자 간섭계 프로토콜에 모두 적용 가능한 일반성을 입증하기 위해, 차등 센싱 응용 분야에 대해 적용한다.

제안 방법

• 최대 네 개의 87Rb 원자 군집 네트워크가 이중 모드 라만 과정을 통해 스핀 스쿼이저드 코herent 상태(CSS)로 준비되어 공간적으로 분리된 모드를 형성한다.
• 공유된 양자 비파괴(QND) 측정을 통해 프로브 레이저를 사용하여 모드를 비국소적으로 엔트랑글레잉함으로써 모드-엔트랑글레먼트(ME) 상태를 생성한다.
• 센서 시퀀스는 π/2 마이크로파 펄스를 통해 상태를 단계 민감한 초위상 상태로 준비하고, 필드 기울기 하에서 단계 축적 기간을 거친다.
• 최종 π/2 펄스와 QND 또는 광학 밀도 스펙트로스코피를 사용하여 스핀 프로젝션의 합을 측정함으로써 단계 이동을 측정한다.
• 프로토콜은 원자 시계 및 원자 간섭계 모두에 적용되며, 간섭계 시퀀스는 웨이브패킷을 생성하고 재결합하기 위해 라만 및 마이크로파 π 펄스를 포함한다.
• 노이즈 성능은 측정된 단계 불확도를 QPN 한계 및 비엔트랑글된(MS) 구성과 비교하여 평가하며, 200개 샘플 측정 분포와 신뢰구간을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 센서 네트워크에서 공간적으로 분리된 원자 노드 간의 비국소적 엔트랑글레먼트가 국소적 엔트랑글레먼트 또는 분리된 상태의 1/√M 한계를 초월해 정밀도 스케일링을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 모드-엔트랑글레먼트된 스핀 스쿼이저드 원자 상태를 사용하는 분산 센서 네트워크에서, 양자 프로젝션 노이즈 한계에 비해 달성 가능한 정밀도 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 동일한 엔트랑글레먼트 향상 프로토콜이 원자 시계와 원자 간섭계 양자 모두에 적용되어 차등 센싱 응용에 적합한가?
• RQ4 모드-엔트랑글레먼트 네트워크의 성능은 노드 수에 따라 어떻게 스케일링되며, 헤이젠베르크 한계에 수렴하는가?
• RQ5 이 방법은 차등 측정에서 공통 모드 노이즈, 예를 들어 라만 레이저의 위상 변동을 어느 정도 억제하는가?

주요 결과

• 모드-엔트랑글레먼트 네트워크는 동일한 크기의 비엔트랑글된 네트워크보다 최대 4.5 dB 높은 정밀도를 달성하여 현저한 계량학적 이점을 입증한다.
• 네트워크는 양자 프로젝션 노이즈 한계 대비 11.6 dB 향상된 노이즈 성능을 기록하여 거의 헤이젠베르크 스케일링임을 시사한다.
• 간섭계 구성에서의 단일 샷 단계 불확도는 4.9(0.4) mrad로 측정되었으며, 이는 차등 가속도 감도 1.4(0.1)×10⁻² m/s²에 해당한다.
• 관측된 네트워크 성능 향상은 이전 실험에서의 스쿼징 효율성의 원자 수 의존성과 일치하여 프로토콜의 확장 가능성을 검증한다.
• 공통 모드 광학 위상 변동은 10 mrad(15 dB QPN 초과)로 억제되어 차등 측정에서 안정성을 크게 향상시켰다.
• 프로토콜은 원자 시계 및 원자 간섭계 구성 모두에 성공적으로 적용되어 정밀 측정 응용 분야에 광범위한 적용 가능성을 입증했다.