[论文解读] Quantum-enhanced sensing with variable-range interactions

Monika, Leela Ganesh Chandra Lakkaraju+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于长程相互作用横式伊辛自旋链的量子传感器，在磁感应强度估计中超越了标准量子极限（SQL）。通过利用可变范围的相互作用和单量子比特测量，该传感器即使在高温和时变去相干噪声下，也能实现海森堡极限精度，展现出相对于近邻模型的鲁棒量子优势。

ABSTRACT

The typical bound on parameter estimation, known as the standard quantum limit (SQL), can be surpassed by exploiting quantum resources such as entanglement. To estimate the magnetic probe field, we propose a quantum sensor based on a variable-range many-body quantum spin chain with a moderate transverse magnetic field. We report the threefold benefits of employing a long-range system as a quantum sensor. First, sensors with quasi-long-range interactions can always beat the SQL for all values of the coordination number, while a sensor with long-range interactions does not have this ubiquitous quantum advantage. Second, a long-range Hamiltonian outperforms a nearest-neighbor (NN) Hamiltonian in terms of both estimating precision and system-size scaling. Finally, we observe that the system with long-range interactions can go below the SQL in the presence of a high temperature of the initial state, while sensors having NN interactions cannot. Furthermore, a sensor based on the long-range Ising Hamiltonian proves to be robust against impurities in the magnetic field and when the time-inhomogeneous dephasing noise acts during interaction of the probe with the system.

研究动机与目标

• 研究多体自旋系统中的长程相互作用是否能将量子传感精度提升至超越标准量子极限（SQL）的水平。
• 确定可变范围相互作用在热噪声和去相干作用下对量子传感器鲁棒性的影响。
• 在现实噪声条件下，评估长程伊辛哈密顿量与近邻模型在参数估计中的性能表现。
• 探讨在长程相互作用下，使用规范平衡态作为初始探测态在量子计量学中的可行性。

提出的方法

• 传感器采用具有可变范围相互作用的横式伊辛哈密顿量作为探测哈密顿量，初始态为中等至高温下的热平衡态。
• 在链的末端执行单量子比特测量，以提取与磁场强度相关的相位信息。
• 该协议包括在探测场作用下，系统沿相互作用哈密顿量演化时间 $ t^{open}_{int} $，随后进行最终演化与测量。
• 通过计算量子费舍尔信息来量化估计精度，并对相互作用时间 $ t^{open}_{int} $ 进行优化以最小化不确定性。
• 非马尔可夫去相干噪声通过时变去极化通道建模，噪声强度由 $ T_{dph} $ 和 $ t^{*} $ 调制。
• 使用 QIClib 和集群计算进行数值模拟，以评估不确定性 $ \delta\omega $，并比较不同相互作用范围和噪声水平下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使初始态为热平衡态，长程相互作用自旋链是否仍能在磁感应强度估计中超越标准量子极限（SQL）？
• RQ2 配位数和相互作用范围（准长程 vs. 长程）如何影响传感精度中的量子优势？
• RQ3 在时变非均匀去相干噪声下，传感器性能退化程度如何？长程相互作用能否维持量子优势？
• RQ4 传感器对横向磁场中的无序有多鲁棒？淬火平均最小不确定性是否保持较低水平？

主要发现

• 具有准长程相互作用的传感器在所有配位数下均持续超越SQL，而长程模型则无法普遍实现这一点。
• 长程伊辛哈密顿量在估计精度上优于近邻哈密顿量，实现了海森堡极限标度 $ \nu^{-1} $。
• 即使在较高初始温度下，长程传感器仍保持量子优势，而近邻模型则不具备此优势。
• 传感器对时变非均匀去相干噪声具有鲁棒性，长程模型相比近邻模型表现出更优性能。
• 在横向磁场中适度无序下，淬火平均最小不确定性几乎不变，表明对磁性杂质具有强韧性。
• 当 $ \alpha = 1 $ 时，量子优势在配位数达六时仍可维持，但在去相干作用下超过此阈值后优势逐渐减弱。