[论文解读] Quantum metrology based on strongly correlated matter

Soonwon Choi, Norman Y. Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Quantum many-body systems被引用 19

一句话总结

该论文提出一种利用强关联、非平衡态在周期性驱动和相互作用下稳定的量子计量协议，实现了对自旋系统中振荡磁场的鲁棒、高灵敏度探测。通过利用弗洛凯工程保护纠缠多体态，并利用量子相变附近的临界性增强效应，该方法实现了更高的信噪比和带宽，克服了相互作用和噪声引起的退相干问题。

ABSTRACT

We propose and analyze a new method for quantum metrology based on stable non-equilibrium states of quantum matter. Our approach utilizes quantum correlations stabilized by strong interactions and periodic driving. As an example, we present an explicit protocol to perform Floquet enhanced measurements of an oscillating magnetic field in Ising-interacting spin systems. Our protocol allows one to circumvent the interaction-induced decoherence associated with high density spin ensembles and is robust to the presence of noise and imperfections. Applications to nanoscale magnetic sensing and precision measurements are discussed.

研究动机与目标

• 克服高密度自旋系综在量子传感中因相互作用引起的退相干的根本限制。
• 利用多体量子关联和非平衡动力学，将测量灵敏度和带宽提升至超越标准量子极限的水平。
• 开发一种对实验不完美性和静态扰动具有鲁棒性的传感协议。
• 展示利用周期性驱动实现的临界量子相和拓扑保护在精密测量中的可行性。
• 在氮-vacancy中心和二维自旋系综等平台中，实现纳米尺度磁感应强度探测及弱信号（如轴子信号）检测的实际应用。

提出的方法

• 设计一种具有强伊辛相互作用的弗洛凯驱动自旋系统，以稳定长寿命的、类似薛定谔猫态的纠缠多体态。
• 利用周期性 $\pi$-脉冲生成准能隙，以保护系统免受静态扰动影响并维持量子相干性。
• 实施三步传感协议：(1) 在量子临界点附近绝热初始化，(2) 施加与低能激发共振耦合的信号驱动振荡磁场，(3) 通过自旋 parity 或广延可观测量进行读出。
• 用集体自旋翻转激发计数替代 parity 测量，以实现实验系综中的可扩展性。
• 利用量子相变附近的临界性增强灵敏度，其中关联长度 $\xi$ 和标度维数 $\eta$ 调节对外部信号的响应。
• 推导出信噪比的标度关系 $\partial_B N_{\text{e}} / \delta N_{\text{e}} \sim \sqrt{N} T_s (J T_p)^{\eta/(z\nu+1)}$，在最优驱动条件下实现灵敏度提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用强关联、非平衡量子态，使量子计量超越标准量子极限？
• RQ2 如何将通常对相干性有害的多体相互作用，转化为提升测量灵敏度和带宽的手段？
• RQ3 在多体系统中，周期性驱动和准能隙在多大程度上可保护纠缠态免受退相干和噪声影响？
• RQ4 在驱动自旋系统中，临界性是否可增强对弱振荡磁场的响应？
• RQ5 是否可能在系综基量子传感中，用可扩展的广延可观测量替代脆弱的 parity 测量？

主要发现

• 该协议在 1D 伊辛系统中实现灵敏度标度 $\delta B^{-1} \sim \sqrt{NT\bar{T}_2}(J\bar{T}_2)^{3/16}$，通过利用临界性和多体关联，超越了标准极限。
• 该方法对脉冲强度和持续时间的不完美性具有鲁棒性，可在嘈杂实验环境中实现。
• 通过在临界点 $\Omega_c$ 附近调节横向场 $\Omega$，系统因关联长度 $\xi$ 发散和标度维数 $\eta = 3/8$ 而增强灵敏度。
• 使用集体激发计数替代 parity 测量，可在无需单自旋分辨能力的情况下实现系综系统中的可扩展传感。
• 通过周期性驱动，系统在一级近似下抑制了对称性破缺扰动，且在快速驱动极限下具有更高阶抑制潜力。
• 该协议可在氮-vacancy中心、六方氮化硼中的二维自旋系综或富集$^{13}$C的石墨烯等平台中实现，支持纳米尺度磁感应强度探测和轴子检测。