[论文解读] Enhanced quantum sensing with amplification and deamplification

Min Jiang, Yushu Qin+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文展示了在耦合碱金属与惰性气体自旋系统中利用Fano共振实现增强的量子传感，无需量子纠缠即可实现信号放大和噪声去放大。该方法实现了低于光子散粒噪声54 dB的磁场灵敏度，超越了压缩光技术，并实现了在更高频段的亚飞特斯拉级探测，适用于暗物质搜寻和考古计量学。

ABSTRACT

Quantum sensing is a fundamental building block of modern technology that employs quantum resources and creates new opportunities for precision measurements. However, previous methods usually have a common assumption that detection noise levels should be below the intrinsic sensitivity provided by quantum resources. Here we report the first demonstration of Fano resonance between coupled alkali-metal and noble gases through rapid spin-exchange collisions. The Fano resonance gives rise to two intriguing phenomena: spin amplification and deamplification, which serve as crucial resources for enhanced sensing. Further we develop a novel scheme of quantum sensing enhanced by amplification and deamplification, with relaxed requirements on the detection noise. The coupled systems of alkali-metal and noble gases act as amplifiers or de-amplifiers, enabling to extract small signals above the detection noise before final detection. We demonstrate magnetic-field measurement about 54 decibels below the photon-shot noise, which outperforms the state-of-the-art squeezed-light technology and realizes femtotesla-level sensitivity. Our work opens new avenues to applications in searches for ultralight dark matter with sensitivity well beyond the supernova-observation constraints.

研究动机与目标

• 通过引入一种即使在高噪声水平下也能增强灵敏度的机制，克服量子传感中对低检测噪声的严格要求。
• 探索并展示通过快速自旋交换碰撞在耦合碱金属与惰性气体自旋系统中存在Fano共振。
• 利用自旋放大与去放大作为双重资源以增强计量性能，从而放宽对检测噪声的约束。
• 将自补偿量子传感器的操作带宽扩展至接近零频率范围之外，实现高频应用。
• 开发一种适用于表现出Fano共振的多种系统（包括超材料和等离子体-原子系统）的通用传感框架。

提出的方法

• 在含有20 torr 129Xe、250 torr N2以及同位素富集的87Rb的汽缸中实现碱金属与惰性气体原子之间的快速自旋交换碰撞。
• 使用在D1线处的圆偏振泵浦激光和在D2线频率偏移110 GHz的线偏振探测激光，对87Rb自旋进行极化和探测。
• 将耦合自旋系统建模为两个具有不同线宽的谐振子：87Rb的线宽较宽（Γa ≈ 30 kHz），129Xe的线宽较窄（Γb ≈ 7 mHz），从而产生Fano共振。
• 通过连续态（87Rb）与离散态（129Xe）响应之间的干涉，生成非对称的Fano谱形，实现共振放大与去放大。
• 采用具有异常点（EP）的非厄米哈密顿量模型，其中δ=0且J/β=1，得到次线性频率分裂Δω̃a,b = 2β^{1/2}|δ|^{1/2}以及远大于1的放大因子(β/δ)^{1/2}。
• 通过去放大实现54 dB的低于光子散粒噪声的信号放大和约24 dB的背景噪声抑制，从而实现高灵敏度探测。

Figure 1: Principle of enhanced sensing using Fano resonance. a , Experimental setup. The key element is a 0.5 cm 3 vapor cell containing 20 torr $\rm{}^{129}Xe$ , 250 torr $\rm N_{2}$ , and a droplet of isotopically enriched $\rm{}^{87}Rb$ . $\rm{}^{129}Xe$ spins are polarized and coupled with $\rm

实验结果

研究问题

• RQ1 在耦合碱金属-惰性气体自旋系统中，Fano共振是否能够同时实现信号放大与噪声去放大，以增强量子传感？
• RQ2 Fano共振机制如何放宽量子计量中对低噪声检测的要求？
• RQ3 基于Fano共振的自补偿机制是否能够将磁力仪的操作带宽扩展至接近零频率范围之外？
• RQ4 在存在背景噪声的情况下，该增强传感方案的磁场探测灵敏度极限是多少？
• RQ5 该方法是否可推广至其他表现出Fano共振的系统（如超材料或等离子体-原子系统），以实现更广泛的传感应用？

主要发现

• 首次在0.5 cm³的汽缸中，通过快速自旋交换碰撞，在耦合碱金属-惰性气体自旋系统中观测到Fano共振，其中含有20 torr 129Xe和250 torr N2。
• 实现了低于光子散粒噪声54 dB的信号放大，使磁场灵敏度远低于标准量子极限。
• 通过去放大将背景磁噪声抑制了约24 dB，显著提升了信噪比。
• 该方法实现了亚飞特斯拉级灵敏度（在~0.1 Hz时为0.75 fT/Hz^{1/2}），优于最先进的基于压缩光的传感器。
• 基于Fano共振的框架首次解释并扩展了以往自补偿磁力仪至更高频段（包括100 Hz以上）。
• 该技术可增强对假想粒子（如超轻轴子和暗光子）的探测灵敏度，其灵敏度超越了超新星观测约束两个数量级。

Figure 2: Demonstration of Fano resonance, amplification, and deamplification. a , Fano response profile as a function of the frequency of $y$ -directed measured field. $B_{z}$ is set to about -8.59 mG as an example. The data are well fit with theoretical Fano profile with Fano parameter $q$ , which