[논문 리뷰] Quantum metrology based on strongly correlated matter

Soonwon Choi, Norman Y. Yao외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 29.

Quantum many-body systems인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 주기적 드라이빙과 상호작용에 의해 안정화되는 강한 상관관계가 있는 비평형 상태를 사용하여 스핀 시스템에서 진동하는 자기장을 고감도로 탐지할 수 있는 양자 미측정 기술을 제안한다. 플로케트 공 ing을 통해 얽힌 다체 상태를 보호하고 양자 상전이 근처에서 임계성에 기인한 증폭 효과를 활용함으로써, 상호작용과 노이즈로 인한 비가역성 문제를 회피하면서도 신호 대 잡음비와 대역폭을 향상시킨다.

ABSTRACT

We propose and analyze a new method for quantum metrology based on stable non-equilibrium states of quantum matter. Our approach utilizes quantum correlations stabilized by strong interactions and periodic driving. As an example, we present an explicit protocol to perform Floquet enhanced measurements of an oscillating magnetic field in Ising-interacting spin systems. Our protocol allows one to circumvent the interaction-induced decoherence associated with high density spin ensembles and is robust to the presence of noise and imperfections. Applications to nanoscale magnetic sensing and precision measurements are discussed.

연구 동기 및 목표

• 양자 감지에 사용되는 고밀도 스핀 집합에서 상호작용에 기인한 비가역성의 기본 한계를 극복하기 위해.
• 다체 양자 상관관계와 비평형 역학을 활용하여 표준 양자 한계를 초월한 측정 감도와 대역폭을 향상시키기 위해.
• 실험적 불완전성과 정적 외란에도 효과적으로 작동하는 내구성 있는 감지 프로토콜을 개발하기 위해.
• 주기적 드라이빙을 통한 임계 양자 상과 위상 보호를 활용하여 정밀 측정의 가능성을 입증하기 위해.
• NV 중심과 2D 스핀 집합과 같은 플랫폼을 활용하여 나노스케일 자기장 감지 및 약한 신호(예: 아키온) 탐지에 실용적인 적용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 강한 이징 상호작용을 가진 플로케트 드라이브 스핀 시스템을 설계하여 장수명의 얽힌 다체 상태(스chrödinger 고양이 상태 유사)를 안정화하기 위해.
• 정기적인 $\pi$-펄스를 사용하여 시스템의 위상 에너지 갭을 생성함으로써 정적 외란으로부터 보호하고 양자 코herence 유지하기 위해.
• 3단계 감지 프로토콜 구현: (1) 양자 임계점 근처에서 단서적 초기화, (2) 저에너지 진동자와 공명적으로 연결된 신호 유도 진동 자기장 적용, (3) 파리티 또는 광범위 관측량 측정을 통한 독출.
• 집합적 스핀 전환 진동수 계수를 파리티 측정으로 대체하여 앙상블 기반 실험에서의 확장성 확보하기 위해.
• 양자 상전이 근처의 임계성을 활용하여 감도 향상시키기 위해, 상관 길이 $\xi$와 스케일링 차원 $\eta$를 외부 신호에 대한 반응 조절에 활용하기 위해.
• 신호 대 잡음비의 스케일링 법칙을 유도하여 $\partial_B N_{\text{e}} / \delta N_{\text{e}} \sim \sqrt{N} T_s (J T_p)^{\eta/(z\nu+1)}$ 로 표현함으로써 최적의 드라이빙 조건에서 감도 향상 달성하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상관관계가 있는 비평형 양자 상태를 활용하여 표준 양자 한계를 초월한 양자 미측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 일般적으로 코herence에 악영향을 주는 다체 상호작용을 어떻게 측정 감도와 대역폭 향상에 활용할 수 있는가?
• RQ3 주기적 드라이빙과 위상 에너지 갭이 다체 시스템에서 얽힌 상태의 비가역성과 노이즈로부터 얼마나 효과적으로 보호할 수 있는가?
• RQ4 드라이브된 스핀 시스템에서의 임계성이 약한 진동 자기장에 대한 반응을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 앙상블 기반 양자 감지에서 취약한 파리티 측정을 대체할 수 있는 확장 가능한 광범위 관측량을 도입할 수 있는가?

주요 결과

• 1D 이징 시스템에서 감도 스케일링 법칙 $\delta B^{-1} \sim \sqrt{NT\bar{T}_2}(J\bar{T}_2)^{3/16}$ 을 달성하여 임계성과 다체 상관관계를 활용함으로써 표준 한계를 초월한 성능 확보.
• 펄스 강도 및 지속시간의 불완전성에도 불구하고 강건하여 노이즈가 많은 실험 환경에서도 실용적 구현 가능.
• 횡방향 자기장 $\Omega$ 를 임계점 $\Omega_c$ 근처로 조절함으로써 발산하는 상관 길이 $\xi$ 와 스케일링 차원 $\eta = 3/8$ 덕분에 감도 향상 가능.
• 파리티 측정 대신 집합적 진동수 계수를 사용함으로써 단일 스핀 해상도 없이도 앙상블 시스템에서의 확장 가능한 감지 실현 가능.
• 주기적 드라이빙을 통해 대칭성 깨짐 외란을 1차적으로 억제하며, 고속 드라이빙 근처에서는 고차원 억제 가능성 존재.
• 이론적 프로토콜은 다이아몬드 내 질소 결함 중심과 헥사곤형 붕소 질화물 또는 13C 농축 그래핀 내 2D 스핀 집합과 같은 플랫폼에서 실현 가능하여 나노스케일 자기장 감지 및 아키온 탐지 가능.