[论文解读] Measurements with prediction and retrodiction on the collective spin of 10^{11} atoms beat the standard quantum limit

Han Bao, Junlei Duan+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 22被引用 16

一句话总结

该论文通过利用过去量子态（PQS）理论，基于先前和之后的量子非破坏性测量（QND）条件化测量，实现了在1.87×10¹¹个高温铷原子集体自旋中的量子噪声低于标准量子极限。该方法实现了5.6 dB的条件噪声抑制和4.5±0.40 dB的自旋压缩，创下迄今最大原子系综实现亚标准量子极限灵敏度的新纪录。

ABSTRACT

Quantum probes using $N$ uncorrelated particles give a limit on the measurement sensitivity referred to as the standard quantum limit (SQL). The SQL, however, can be overcome by exploiting quantum entangled states, such as spin squeezed states. We report generation of a quantum state, that surpasses the SQL for probing of the collective spin of $10^{11}$ $ ext{Rb}$ atoms contained in a vapor cell. The state is prepared and verified by sequences of stroboscopic quantum non-demolition (QND) measurements, and we apply the theory of past quantum states to obtain the spin state information from the outcomes of both earlier and later QND measurements. In this way, we obtain a conditional noise reduction of 5.6 dB, and a metrologically-relevant squeezing of $4.5\pm0.40~ ext{dB}$. The past quantum state yields tighter information on the spin component than we can obtain by a conventional QND measurement. Our squeezing results are obtained with 1000 times more atoms than in any previous experiments with a corresponding record $4.6 imes10^{-13} rad^2$ variance of the angular fluctuations of a squeezed collective spin.

研究动机与目标

• 在宏观原子系综的集体自旋测量中超越标准量子极限（SQL）。
• 证明通过过去量子态（PQS）形式化方法结合过去和未来测量数据，可将测量精度提升至超过传统单向条件化QND测量的水平。
• 在10¹¹个原子系统中实现创纪录的量子噪声抑制，提升量子传感应用的灵敏度。
• 在高原子数、室温蒸气腔系统中实验验证PQS方法的有效性。

提出的方法

• 采用闪烁式量子非破坏性测量（QND）在1.87×10¹¹个Rb原子的集体自旋中制备并验证自旋压缩态。
• 应用过去量子态（PQS）形式化方法，基于测量前和测量后结果联合条件化自旋分量值的推断，提升估计精度。
• 采用三脉冲QND方案：第一脉冲制备系统，第二脉冲验证态，第三脉冲测量结果，完整测量记录用于反演推断。
• 采用Wineland标准量化自旋压缩，确保所观测噪声抑制具有计量学相关性。
• 优化脉冲持续时间（τ₁=1.4 ms，τ₂=0.037 ms，τ₃=1.7 ms），在最大化压缩的同时最小化退相干和光致自旋弛豫。
• 将三脉冲PQS协议与传统两脉冲前向条件化方案进行比较，以分离出利用后续测量数据的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过量子测量条件化，在10¹¹个原子的集体自旋中实现超越标准量子极限？
• RQ2 通过过去量子态形式化方法结合过去和未来测量结果，是否能比仅使用前向条件化获得更优的自旋分量估计？
• RQ3 在宏观、室温原子系综中，利用反演测量技术可实现的最大自旋压缩与噪声抑制水平是多少？
• RQ4 长时间探测引起的退相干如何影响基于QND的自旋压缩协议性能？通过重新排序测量序列能否缓解此问题？
• RQ5 PQS方法能否提升量子传感器对瞬态扰动（如时变磁场）的灵敏度？

主要发现

• 通过PQS形式化方法结合先前和之后的QND测量结果，实验实现了5.6 dB的条件噪声抑制。
• 采用Wineland标准测量得到4.5±0.40 dB的自旋压缩，为该规模系统记录的最高压缩度。
• 系统包含1.87×10¹¹个高温Rb原子，是此前任何实现亚SQL灵敏度实验的原子数的1000倍。
• 压缩集体自旋的角动量方差达到4.6×10⁻¹³ rad²，为迄今报道的最低值。
• 三脉冲PQS协议优于传统两脉冲前向条件化方案，实现4.5 dB压缩，而后者仅达2.3 dB。
• 性能提升归因于测量结果之间更强的相关性，以及通过时序重排测量序列减少自旋弛豫效应所导致的退相干。