Эффективная генерация фоковских состояний с большим числом фотонов для квантовой метрологии. Кредит: Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02619-5
Сбор высокоточных измерений может обеспечить исследовательские разработки и технологические достижения во многих областях. В физике высокоточные измерения могут открывать новые явления и экспериментально подтверждать теории.
Методы квантово-усиленной метрологии — это новые методы, которые позволяют собирать точные измерения, используя неклассические состояния. Хотя эти методы теоретически могут превзойти классические подходы, надежное манипулирование неклассическими состояниями для достижения высокоточных измерений до сих пор оказалось сложной задачей.
Исследователи из Международной квантовой академии, Южного университета науки и технологий и Китайского университета науки и технологий недавно представили новый подход к реализации квантово-усиленной метрологии. Было обнаружено, что их предложенный подход, представленный в Nature Physics, позволяет эффективно генерировать большие состояния Фока с почти 100 фотонами.
«Наше недавнее исследование в первую очередь было сосредоточено на высокоточном измерении слабых микроволновых электромагнитных полей», — рассказал Phys.org соавтор статьи Юань Сюй. «Мы обнаружили, что микроволновые фоковские состояния в сверхпроводящей полости являются многообещающими кандидатами, поскольку они демонстрируют сверхтонкие интерференционные структурные особенности в фазовом пространстве.
«Небольшой сдвиг или смещение этих состояний, вызванное слабым микроволновым полем, может быть обнаружено с высокой точностью благодаря сверхтонким интерференционным картинам состояний Фока. Чем больше число фотонов состояния Фока, тем мельче интерференционные полосы, и, таким образом, тем точнее может быть обнаружение».
Чтобы реализовать значительный метрологический выигрыш по сравнению с классическими метрологическими методами, используя квантово-механические принципы, Сюй и его коллеги решили разработать подход, который позволил бы генерировать состояния Фока с числом фотонов до 100. Их предложенный метод основан на использовании двух различных типов фильтров числа фотонов.
«Мы использовали два типа фильтров числа фотонов (PNF) — синусоидальный PNF и гауссов PNF — для генерации больших состояний Фока с использованием зависящего от числа фотонов отклика вспомогательного кубита, связанного с полостью», — объяснил Сюй. «Эти PNF могут выборочно отфильтровывать определенные числа фотонов на основе состояния вспомогательного кубита».
Для реализации синусоидальной PNF исследователи вставили условное вращение в последовательность типа Рамсея и спроецировали вспомогательный кубит в основном состоянии. Эта операция действует как решетка, которая периодически блокирует определенные номера фотонов состояний полости.
Напротив, второй фильтр числа фотонов, который они использовали, называемый Gaussian PNF, применяет импульс переворота кубита с гауссовой огибающей. Это сжимает распределение номеров фотонов, концентрируясь на подпространстве, которое центрировано вокруг желаемого состояния Фока.
Квантово-механические состояния Фока с большим числом фотонов демонстрируют сверхтонкие структурные особенности в фазовом пространстве, тем самым предлагая метрологическое улучшение за пределами классического предела при измерении малого смещения состояния. Автор: Юань Сюй/Шэньчжэньская международная квантовая академия, Китай
«Сочетание этих двух PNF облегчает эффективную генерацию больших состояний Фока», — сказал Сюй. «Ключевым преимуществом этого метода является его эффективность, поскольку он позволяет генерировать большие состояния Фока с глубиной схемы, которая масштабируется логарифмически с числом фотонов, что делает его более эффективным, чем предыдущие предложения, которые требовали полиномиального масштабирования».
«Более того, этот метод является аппаратно эффективным и более практичным для генерации состояний Фока с большим числом фотонов, что имеет решающее значение для достижения квантово-улучшенной метрологии с высокой точностью».
Подход команды до сих пор доказал, что предлагает жизнеспособный путь для внедрения аппаратно-эффективной квантовой метрологии с использованием больших состояний Фока в одном бозонном режиме. Примечательно, что подход также является весьма универсальным и, таким образом, может быть легко распространен на другие физические платформы, такие как механические и оптические системы.
«Мы представили новый квантовый метод управления для генерации состояний Фока с существенным числом фотонов; и установили новый рекорд генерации состояний Фока и метрологического усиления», — сказал Сюй. «Мы успешно сгенерировали большие состояния Фока, содержащие до 100 фотонов, что представляет собой увеличение на порядок по сравнению с предыдущими демонстрациями и является крупнейшими микроволновыми состояниями Фока, насколько нам известно».
В ходе первоначальных испытаний было обнаружено, что подход к реализации квантово-усиленной метрологии, разработанный Сюй и его коллегами, значительно превосходит классическую метрологию, обеспечивая метрологический выигрыш в 14,8 дБ и, таким образом, приближаясь к пределу Гейзенберга.
Их работа вскоре может позволить собирать более точные измерения, что потенциально приведет к новым захватывающим открытиям и наблюдениям, основанным на различных областях.
«Во-первых, наше исследование приносит пользу фундаментальным исследованиям, предоставляя испытательный стенд для теоретических предсказаний весьма нетривиальных квантовых эффектов в квантовой оптике и квантовой механике», — сказал Сюй. «Во-вторых, наша аппаратно-эффективная одномодовая квантовая метрология демонстрирует замечательный потенциал для практических приложений, включая высокоточную радиометрию, обнаружение слабых сил и поиск темной материи».
Исследователи надеются, что их недавние исследовательские усилия будут способствовать сбору все более точных измерений, прокладывая путь для достижений в различных областях. В своих следующих исследованиях они планируют продолжить совершенствование своего метода, сосредоточившись на двух ключевых направлениях исследований.
«Во-первых, теперь мы стремимся к дальнейшему улучшению характеристик когерентности квантовой системы и разработке высокоточных масштабируемых методов квантового управления для детерминированной генерации состояний Фока с более высокими числами фотонов, тем самым достигая большего метрологического выигрыша», — сказал Сюй.
«Во-вторых, мы изучим важные приложения продемонстрированной здесь аппаратно-эффективной схемы квантовой метрологии, особенно в таких областях, как обнаружение слабых электромагнитных полей и поиск темной материи».
Дополнительная информация: Сяовэй Дэн и др., Квантовая метрология с большими состояниями Фока, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02619-5
Информация о журнале: Nature Physics
