[论文解读] Spontaneous-symmetry-breaking assisted quantum sensors

Peter A. Ivanov, Kilian Singer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 7

一句话总结

该论文提出一种基于量子Rabi模型自发对称性破缺绝热跃迁的量子传感方案，可实现低于1 yN/√Hz的灵敏度，检测极弱力。通过绝热演化单个俘获离子的量子态至薛定谔猫态，将力信息编码于自旋布居测量中，实现比基于声子数测量的协议更快、更灵敏的探测。

ABSTRACT

We propose a quantum sensing scheme for measuring weak forces based on a symmetry-breaking adiabatic transition in the quantum Rabi model. We show that the system described by the Rabi Hamiltonian can serve as a sensor for extremely weak forces with sensitivity beyond the yN $/\sqrt{ ext{Hz}}$ range. We propose an implementation of this sensing protocol using a single trapped ion. A major advantage of our scheme is that the force detection is performed by projective measurement of the population of the spin states at the end of the transition, instead of the far slower phonon number measurement used hitherto.

研究动机与目标

• 开发一种能够利用量子多体系统检测低于阿牛顿（attonewton）范围力的量子传感协议。
• 克服传统基于声子数测量协议在量子传感器中速度受限的问题。
• 利用量子Rabi模型中的自发对称性破缺作为高灵敏度力检测的机制。
• 展示利用当前俘获离子技术实现亚约顿牛顿（sub-yottanewton, yN）力灵敏度的可行性。
• 将传感能力扩展至自旋依赖的力，如离子阱中磁偶极矩的力。

提出的方法

• 系统初始化为无微扰量子Rabi哈密顿量的基态，具有较大的横向Rabi频率。
• 横向场被绝热减小，驱动系统经历量子相变，进入相干态的叠加态（即薛定谔猫态）。
• 弱外部力扰动破坏系统的宇称对称性，该破坏被映射为猫态组分之间的相对相位与振幅。
• 通过投影测量最终自旋态的布居数实现力检测，避免了缓慢的声子数检测过程。
• 在对称性破缺区域，有效哈密顿量被建模为两能级系统，从而可解析求解时间演化并提取信号。
• 该协议通过单个俘获离子实现，其中激光或微波场控制Rabi频率与自旋-比特耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用量子Rabi模型中的自发对称性破缺来检测低于1 yN/√Hz的力？
• RQ2 将基态绝热演化为薛定谔猫态，相较于传统的声子数测量方法，如何提升力的灵敏度？
• RQ3 利用该协议在单个俘获离子上可实现的力灵敏度的根本极限是什么？
• RQ4 该方案能否检测由磁场或斯塔克场梯度引起的自旋依赖力？
• RQ5 与基于Rabi振荡的现有协议相比，该方案的测量速度如何？

主要发现

• 所提出的方案利用当前俘获离子技术，实现了低于1 yN/√Hz的力灵敏度，超越了阿牛顿和zeptonewton量级的先前极限。
• 力信息编码于绝热演化后的自旋态布居数中，可通过单次投影测量实现检测，显著快于声子数测量。
• 信号与 tanh(πgz₀F_d/(ħγω)) 成正比，对弱力表现出非线性、高度敏感的响应。
• 当系统通过绝热跃迁被驱动时，信号方差最小化，从而最大化信噪比。
• 该方法适用于检测磁偶极矩，例如在1 T/m梯度下，2μ_B磁矩可产生9 yN的可探测力。
• 该协议具有鲁棒性且可推广至其他系统，包括氮-vacancy色心和腔中超导量子比特。