[论文解读] Bath-induced correlations lead to sub-shot-noise thermometry precision

Guim Planella Planas, Marina F. B. Cenni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出一种热力学测量协议，利用非相互作用探测器与冷玻色子浴相互作用，达到非平衡稳态，其中浴诱导的经典关联可提升温度测量的精确度。尽管探测器初始无纠缠且无需动态调控，这些关联仍可实现亚散粒噪声精度，使低温下量子费舍尔信息（QFI）提升高达两个数量级。

ABSTRACT

We study the role of bath-induced correlations in temperature estimation of cold Bosonic baths. Our protocol includes multiple probes, that are not interacting, nor are they initially correlated to each other. They interact with a Bosonic sample and reach a non-equilibrium steady state, which is measured to estimate the temperature of the sample. It is well-known that in the steady state such non-interacting probes may get correlated to each other and even entangled. Nonetheless, the impact of these correlations in metrology has not been deeply investigated yet. Here, we examine their role for thermometry of cold Bosonic gases and show that, although being classical, bath-induced correlations can indeed lead to sub-shot-noise precision for thermometry at low temperatures; e.g., for a probe of $30$ non-interacting impurities they can enhance the quantum Fisher information by two orders of magnitude. The proposed thermometry scheme here does not require precise dynamical control of the probes and tuning the parameters, as it is build upon the non-equilibrium steady state of a non-interacting system. Our results put forward new possibilities in thermometry at low temperatures, of relevance for instance in cold gases and Bose--Einstein condensates.

研究动机与目标

• 研究浴诱导关联在冷玻色子系统量子热力学测量中的作用。
• 确定由共同浴中非相互作用探测器产生的经典关联是否可提升温度估计精度。
• 开发一种避免精确动态调控和探测器参数调谐的实际热力学测量方案。
• 探索多体系统中非平衡稳态在高精度计量中的潜力。

提出的方法

• 使用多个与玻色子浴耦合的非相互作用探测器，使其演化至非平衡稳态。
• 通过测量探测器之间的稳态关联来推断浴的温度。
• 采用量子费舍尔信息（QFI）作为估计精度的衡量指标。
• 分析浴诱导关联对QFI的贡献，将其与初始纠缠区分开来。
• 结合解析与数值方法计算低温区域的QFI。
• 证明仅由浴诱导的关联即可实现温度估计的亚散粒噪声标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 非相互作用探测器中浴诱导的关联是否可实现温度估计的亚散粒噪声精度？
• RQ2 浴诱导关联在提升热敏度方面与初始纠缠相比如何？
• RQ3 非平衡稳态在实现无需动态调控的高精度热力学测量中起什么作用？
• RQ4 在低温区域，稳态中的经典关联在多大程度上可超越散粒噪声极限？
• RQ5 当仅存在浴诱导关联时，量子费舍尔信息如何随探测器数量变化？

主要发现

• 尽管是经典关联，浴诱导的关联在冷玻色子浴中显著提升了温度估计的精确度。
• 对于30个非相互作用杂质的系统，低温下浴诱导关联使量子费舍尔信息提升高达两个数量级。
• 无需初始纠缠或对探测器的精确动态调控，即可实现亚散粒噪声精度。
• 探测器系统的非平衡稳态为高精度热力学测量提供了稳健平台。
• 精度提升完全源于由共同浴相互作用诱导的关联，而非初始或动态纠缠。
• 该方案在低温区域特别有效，因此对冷原子和玻色-爱斯坦凝聚体实验具有实际意义。