[논문 리뷰] Quantum-enhanced metrology with large Fock states

Xiaowei Deng, Sai Li외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 58인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 마이크로파 공진기에서 실험적으로 생성한 100광자 포크 상태를 사용하여 히젠베르크 한계에 도달하는 양자 미측정을 구현한다. 프ogrammable 광자 수 필터와 위상 측정을 활용하여 저자들은 최대 14.8 dB의 미측정 이득을 달성하였으며, 이는 히젠베르크 한계에 가까워지고 이로 인해 이격 및 위상 측정의 정밀도가 N에 비례하여 개선되는 결과를 이룬다.

ABSTRACT

Quantum metrology uses non-classical states, such as Fock states with a specific number of photons, to achieve an advantage over classical sensing methods. Typically, quantum metrological performance can be enhanced by increasing the involved excitation numbers, for example, by using large photon-number Fock states. However, manipulating these states and demonstrating a quantum metrological advantage is experimentally challenging. Here we present an efficient method for generating large Fock states approaching 100 photons within a superconducting microwave cavity through the development of a programmable photon number filter. Using these states in displacement and phase measurements, we demonstrate quantum-enhanced metrology approaching the Heisenberg scaling for 40-photon Fock states and achieve a maximum metrological gain of up to 14.8 dB, highlighting the metrological advantages of large Fock states. Our study could be readily extended to mechanical and optical systems, promising potential applications in weak force detection and dark matter searches.

연구 동기 및 목표

• 대규모 비고전적 상태를 준비하고 조작하여 고정밀 양자 측정을 달성하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 초전도 마이크로파 공진기에서 최대 100광자를 포함한 고정밀도 포크 상태를 생성하기 위한 하드웨어 효율적인 방법을 개발하기 위해.
• 이러한 대규모 포크 상태를 사용하여 이격 및 위상 추정에서 히젠베르크 한계에 도달하는 민감도를 입증하기 위해.
• 실험적으로 구현 가능한 기법을 사용하여 표준 양자 한계를 크게 초월하는 미측정 이득을 달성하기 위해.

제안 방법

• 고품질 초전도 마이크로파 공진기에서 최대 100광자를 포함한 포크 상태를 생성하기 위해 프로그래머블 광자 수 필터를 설계하고 구현하였다.
• 측정의 양자 피셔 정보(QFI)를 최대화하기 위해 프로브 상태를 |N⟩ 또는 이격된 포크 상태 D(√N)|N⟩로 준비하였다.
• 공진기 필드와 트랜스몬 큐비트 사이의 제어된 상호작용을 통해 이격 및 위상 측정을 수행하였으며, 측정 결과는 큐비트의 기저 상태와 올린 상태로 투영되었다.
• 측정된 큐비트 밀도 P_g(β)와 P_g(ϕ)를 이용하여 라게르 다항식 L_N(4|β|²)과 L_N(4N|ϕ|²)을 포함하는 함수에 피팅하여 양자 피셔 정보를 추출하였다.
• 추정 정밀도 δλ는 δλ = 1/√F_m로 계산되었으며, 여기서 F_m은 피팅된 확률 분포로부터 구한 최대 피셔 정보이다.
• 위상 측정과 이격 조작을 조합한 결과, 양자 피셔 정보가 포화됨을 보여주었으며, 이는 최적의 측정 전략임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 마이크로파 공진기에서 최대 100광자를 포함한 대규모 포크 상태를 고정밀도로 실험적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 이격 및 위상 측정에 포크 상태를 사용할 경우 정밀도가 히젠베르크 한계에 가까워지는가?
• RQ3 이러한 대규모 포크 상태를 사용할 때 실질적으로 달성 가능한 최대 미측정 이득은 얼마인가?
• RQ4 실제 실험 설정에서 위상 측정을 사용하여 양자 피셔 정보를 포화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 프로그래머블 광자 수 필터를 사용하여 초전도 마이크로파 공진기에서 최대 100광자를 포함한 포크 상태를 성공적으로 생성하였다.
• 이격 측정의 측정 정밀도는 δβ ≈ 1/√(2N+1)로 스케일링되며, N = 100광자일 때 히젠베르크 한계인 1/N에 가까워진다.
• 최대 14.8 dB의 미측정 이득을 달성하였으며, 이는 표준 양자 한계를 크게 초월한다.
• 실험적으로 양자 피셔 정보를 추출하였고, 위상 측정을 사용할 경우 이론적 한계에 도달함을 입증하여 최적의 추정이 이루어짐을 확인하였다.
• 위상 측정의 정밀도는 δϕ ≈ 1/√(N(2N+1))로 스케일링되며, N = 100일 때 히젠베르크 한계에 도달하는 스케일링을 보였다.
• 결과적으로 포크 상태와 위상 측정이 보소닉 시스템에서 최적의 양자 강화 감도를 달성할 수 있음을 확인하였다.