[논문 리뷰] Measurements with prediction and retrodiction on the collective spin of 10^{11} atoms beat the standard quantum limit

Han Bao, Junlei Duan외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 16.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 22인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 과거 양자 상태(PQS) 이론을 사용하여 이전과 이후의 양자 비파괴 측정(QND) 결과에 조건화된 측정을 통해 1.87×10¹¹개의 뜨거운 리비듐 원자로 이루어진 집합 스핀에서 표준 양자 한계(SQL) 이하의 양자 노이즈 감소를 입증한다. 이 방법은 5.6 dB의 조건부 노이즈 감소와 4.5±0.40 dB의 스핀 스트레칭을 달성하여, 이보다 큰 원자 군집에서 SQL 이하 감도를 가지는 데 새로운 기록을 수립한다.

ABSTRACT

Quantum probes using $N$ uncorrelated particles give a limit on the measurement sensitivity referred to as the standard quantum limit (SQL). The SQL, however, can be overcome by exploiting quantum entangled states, such as spin squeezed states. We report generation of a quantum state, that surpasses the SQL for probing of the collective spin of $10^{11}$ $ ext{Rb}$ atoms contained in a vapor cell. The state is prepared and verified by sequences of stroboscopic quantum non-demolition (QND) measurements, and we apply the theory of past quantum states to obtain the spin state information from the outcomes of both earlier and later QND measurements. In this way, we obtain a conditional noise reduction of 5.6 dB, and a metrologically-relevant squeezing of $4.5\pm0.40~ ext{dB}$. The past quantum state yields tighter information on the spin component than we can obtain by a conventional QND measurement. Our squeezing results are obtained with 1000 times more atoms than in any previous experiments with a corresponding record $4.6 imes10^{-13} rad^2$ variance of the angular fluctuations of a squeezed collective spin.

연구 동기 및 목표

• 거대한 원자 군집의 집합 스핀 측정에서 표준 양자 한계(SQL)를 초월하는 것.
• 과거 양자 상태(PQS) 형식을 통해 과거와 미래의 측정 데이터를 조합함으로써 전통적인 전방 조건화 QND 측정을 넘어서 측정 정밀도를 향상시킬 수 있음을 보여주는 것.
• 10¹¹개 원자를 포함한 기록적인 규모의 원자 시스템에서 최고 수준의 양자 노이즈 감소를 달성하여 양자 센서 응용 분야의 감도 향상을 가능하게 하는 것.
• 고원자 수, 실온 조건의 증기 세포 시스템에서 PQS 접근법을 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 1.87×10¹¹개 리비듐 원자로 이루어진 집합 스핀에서 스핀 스트레칭 상태를 준비하고 검증하기 위해 스트로보스코픽 QND 측정을 사용한다.
• 과거 양자 상태(PQS) 형식을 적용하여 스핀 성분 값의 추정을 이전 측정 결과와 이후 측정 결과 양쪽에 조건화함으로써 추정 정확도를 향상시킨다.
• 세 펄스 QND 기법을 사용: 첫 번째 펄스는 시스템을 준비하고, 두 번째 펄스는 상태를 검증하며, 세 번째 펄스는 결과를 측정한다. 전체 측정 기록을 활용하여 역추론을 수행한다.
• 스핀 스트레칭을 정량화하기 위해 Wineland 기준을 적용하여 관측된 노이즈 감소의 양자 미측정 관련성을 확보한다.
• 스핀 스트레칭을 최대화하면서 디코herence와 광자 유도 스핀 리라크세이션을 최소화하기 위해 펄스 지속시간(τ₁=1.4 ms, τ₂=0.037 ms, τ₃=1.7 ms)을 최적화한다.
• 측정 결과의 후행 데이터를 포함한 PQS 프로토콜과 전통적인 두 펄스 전방 조건화 방법을 비교하여 후행 측정 데이터를 통합함으로써 얻는 이점의 정량적 분리

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과거와 미래의 측정 결과를 PQS 형식으로 조합함으로써 10¹¹개 원자로 이루어진 집합 스핀에서 표준 양자 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ2 과거 양자 상태 형식을 통해 과거와 미래의 측정 결과를 통합하면 전방 조건화만을 사용하는 경우보다 스핀 성분의 추정 정확도가 향상되는가?
• RQ3 역추론 측정 기법을 사용할 때, 거대하고 실온 조건의 원자 군집에서 도달 가능한 최대 스핀 스트레칭과 노이즈 감소는 얼마인가?
• RQ4 장시간 탐측으로 인한 디코herence는 QND 기반 스핀 스트레칭 프로토콜의 성능에 어떤 영향을 미치며, 측정 순서를 재정렬함으로써 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 PQS 접근법은 시간에 따라 변하는 자기장과 같은 일시적인 외란에 대한 양자 센서의 감도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 과거 양자 상태 형식을 통해 이전과 이후 QND 측정 결과를 활용함으로써 조건부 노이즈 감소 5.6 dB를 달성하였다.
• Wineland 기준을 사용하여 측정한 스핀 스트레칭은 4.5±0.40 dB로, 이 크기의 시스템에서 기록으로 기록된 최고 수준의 스트레칭이다.
• 시스템은 1.87×10¹¹개의 뜨거운 리비듐 원자를 포함하고 있으며, 이는 이전에 SQL 이하 감도를 보인 실험들보다 1000배 많은 원자 수이다.
• 스트레칭된 집합 스핀의 각도 스핀 분산은 4.6×10⁻¹³ rad²에 도달하여 지금까지 보고된 바 중에서 가장 낮은 값이다.
• 세 펄스 PQS 프로토콜은 기존의 두 펄스 전방 조건화 방법보다 우수한 성능을 보였으며, 스트레칭은 4.5 dB를 기록한 반면, 후자는 2.3 dB에 머물렀다.
• 향상된 성능는 측정 결과 간의 강한 상관관계와 측정 순서를 재정렬함으로써 스핀 리라크세이션 영향을 최소화함으로써 발생한 것으로 기인된다.