[论文解读] Quantum-enhanced metrology with large Fock states

Xiaowei Deng, Sai Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 58被引用 4

一句话总结

该论文通过超导微波腔中实验生成的100光子 Fock 态，实现了海森堡极限的量子计量。通过采用可编程光子数滤波器和偶 parity 测量，作者实现了高达14.8 dB的计量增益，接近海森堡极限，并实现了位移和相位传感精度接近1/N的标度。

ABSTRACT

Quantum metrology uses non-classical states, such as Fock states with a specific number of photons, to achieve an advantage over classical sensing methods. Typically, quantum metrological performance can be enhanced by increasing the involved excitation numbers, for example, by using large photon-number Fock states. However, manipulating these states and demonstrating a quantum metrological advantage is experimentally challenging. Here we present an efficient method for generating large Fock states approaching 100 photons within a superconducting microwave cavity through the development of a programmable photon number filter. Using these states in displacement and phase measurements, we demonstrate quantum-enhanced metrology approaching the Heisenberg scaling for 40-photon Fock states and achieve a maximum metrological gain of up to 14.8 dB, highlighting the metrological advantages of large Fock states. Our study could be readily extended to mechanical and optical systems, promising potential applications in weak force detection and dark matter searches.

研究动机与目标

• 为克服制备和操控大规模非经典态以实现高精度量子测量的挑战。
• 开发一种硬件高效的方案，用于在超导微波腔中生成高达100光子的高保真度 Fock 态。
• 利用这些大尺寸 Fock 态，展示位移和相位估计中的海森堡极限灵敏度。
• 通过实验可行的技术，实现显著超越标准量子极限的计量增益。

提出的方法

• 设计并实现了可编程光子数滤波器，用于在高品质超导微波腔中生成最多100光子的 Fock 态。
• 探测态被制备为 Fock 态 |N⟩ 或位移 Fock 态 D(√N)|N⟩，以最大化量子费舍尔信息（QFI）。
• 通过腔场与 transmon 量子比特之间的受控相互作用实现位移和相位传感，测量结果投影到量子比特的基态和激发态。
• 从测量得到的量子比特布居数 P_g(β) 和 P_g(ϕ) 中提取量子费舍尔信息，其拟合函数涉及拉盖尔多项式 L_N(4|β|²) 和 L_N(4N|ϕ|²)。
• 估计精度 δλ 计算为 δλ = 1/√F_m，其中 F_m 是从拟合的概率分布中获得的最大费舍尔信息。
• 结果表明，结合位移操作的偶 parity 测量可饱和量子费舍尔信息，证实了最优测量策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导微波腔中以高保真度实验生成最多100光子的大 Fock 态？
• RQ2 在位移和相位传感中使用 Fock 态是否能实现接近海森堡极限的精度标度？
• RQ3 在实际应用中，使用此类大尺寸 Fock 态时，可实现的最大计量增益是多少？
• RQ4 在实际实验设置中，能否通过偶 parity 测量饱和量子费舍尔信息？

主要发现

• 实验成功利用可编程光子数滤波器在超导微波腔中生成了最多100光子的 Fock 态。
• 位移传感的测量精度满足 δβ ≈ 1/√(2N+1)，当 N = 100 光子时，接近海森堡极限的 1/N。
• 实现了高达14.8 dB的计量增益，显著超越标准量子极限。
• 实验提取了量子费舍尔信息，并表明在使用偶 parity 测量时，该信息可饱和理论极限，证实了最优估计。
• 相位测量的精度满足 δϕ ≈ 1/√(N(2N+1))，当 N = 100 时，展示了海森堡极限标度。
• 结果证实，Fock 态与偶 parity 测量可在玻色系统中实现最优的量子增强灵敏度。