[논문 리뷰] Spontaneous-symmetry-breaking assisted quantum sensors

Peter A. Ivanov, Kilian Singer외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 26.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자 라비 모델의 자발적 대칭성 깨짐 비가역 전이를 이용한 양자 센서 기법을 제안하여 1 yN/√Hz 이하의 감도로 극히 약한 힘을 감지한다. 단일 트랩 이온의 상태를 비가역적으로 진동시키며 슈뢰딩거 고양이 상태로 전이시킴으로써, 힘의 정보는 스핀 분포 측정에 의해 인코딩되며, 이는 진동수 측정 기반의 기존 프로토콜보다 빠르고 민감한 감지를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We propose a quantum sensing scheme for measuring weak forces based on a symmetry-breaking adiabatic transition in the quantum Rabi model. We show that the system described by the Rabi Hamiltonian can serve as a sensor for extremely weak forces with sensitivity beyond the yN $/\sqrt{ ext{Hz}}$ range. We propose an implementation of this sensing protocol using a single trapped ion. A major advantage of our scheme is that the force detection is performed by projective measurement of the population of the spin states at the end of the transition, instead of the far slower phonon number measurement used hitherto.

연구 동기 및 목표

• 양자 다체계를 이용해 약톤뉴턴 이하의 힘을 감지할 수 있는 양자 센싱 프로토콜을 개발하기 위해.
• 기존의 진동수 측정 기반 프로토콜의 속도 제한을 극복하기 위해.
• 양자 라비 모델의 자발적 대칭성 깨짐을 고감도 힘 감지의 수단으로 활용하기 위해.
• 현재의 트랩 이온 기술로 하위요타뉴턴(yN) 수준의 힘 감도를 실현 가능하게 하기 위해.
• 자기 이중극 모멘트 등 스핀에 의존하는 힘, 예를 들어 이온 트랩 내 자기장 또는 스타크 장의 기울기에서 기인하는 힘까지 감지할 수 있도록 감도를 확장하기 위해.

제안 방법

• 큰 횡방향 라비 주파수를 가진 비분할된 양자 라비 해밀토니안의 기본 상태로 시스템을 초기화한다.
• 횡방향 필드를 비가역적으로 감소시켜 시스템을 양자 상전이를 거쳐 일관된 상태의 초위상 상태(슈뢰딩거 고양이 상태)로 이동시킨다.
• 약한 외부 힘 외란이 시스템의 편미분 대칭성을 깨며, 이는 고양이 상태 성분 간의 상대 위상과 진폭에 의해 반영된다.
• 프로젝티브 측정을 통해 최종 스핀 상태 분포를 측정함으로써 힘 감지를 실현하며, 느린 진동수 측정 방식을 피한다.
• 대칭성 깨짐 영역에서의 효과적 해밀토니안은 이중준위계로 모델링되며, 이는 시간 진동의 해석적 해석과 신호 추출을 가능하게 한다.
• 프로토콜은 레이저 또는 마이크로파 필드로 라비 주파수와 스핀-보존 결합을 제어할 수 있는 단일 트랩 이온을 사용하여 실현된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 라비 모델의 자발적 대칭성 깨짐을 이용해 1 yN/√Hz 이하의 힘 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기본 상태를 슈뢰딩거 고양이 상태로 비가역적으로 전이시키는 것이 기존의 진동수 측정 방식에 비해 힘 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이 프로토콜을 사용할 경우 단일 트랩 이온으로 달성 가능한 힘 감도의 기본 한계는 무엇인가?
• RQ4 이 방법은 자기장 또는 스타크 장 기울기에서 기인하는 스핀에 의존하는 힘을 감지할 수 있는가?
• RQ5 기존의 라비 진동 기반 프로토콜과 비교해 측정 속도는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 현재의 트랩 이온 기술로도 1 yN/√Hz 이하의 힘 감도를 달성할 수 있으며, 이는 약톤뉴턴 및 제토뉴턴 영역의 이전 한계를 초월한다.
• 힘은 비가역 전이 후 스핀 상태 분포에 인코딩되며, 단일 프로젝티브 측정으로 감지 가능하여 진동수 측정 방식보다 훨씬 빠르다.
• 신호는 tanh(πgz₀F_d/(ħγω)) 비례하며, 이는 약한 힘에 대해 비선형적이고 매우 민감한 반응을 제공한다.
• 시스템이 비가역 전이를 통해 통과할 때 신호의 분산이 최소화되어 신호 대 잡음비가 최대가 된다.
• 자기 이중극 모멘트 감지에도 적용 가능하며, 1 T/m 기울기에서 2μ_B의 자기 이중극 모멘트로 기인하는 9 yN의 힘도 감지 가능하다.
• 이 프로토콜은 탄탄하고 일반화 가능하며, 질소 결함 중심과 코herence를 유지하는 초전도 큐비트 등 다른 시스템에도 적용 가능하다.