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量子物理

arXiv:2412.15061 (quant-ph)
[提交于 2024年12月19日 (v1) ,最后修订 2025年6月29日 (此版本, v4)]

标题: 通过量子去放大增强亚量子极限测量的动态范围

标题: Enhancing Dynamic Range of Sub-Quantum-Limit Measurements via Quantum Deamplification

Authors:Qi Liu, Ming Xue, Matthew Radzihovsky, Xinwei Li, Denis V. Vasilyev, Ling-Na Wu, Vladan Vuletić
摘要: 在测量科学中,平衡高灵敏度与宽动态范围是一个基本挑战,因为提高一个往往会损害另一个。 虽然传统量子计量学优先考虑增强局部灵敏度,但在原子钟等应用中,宽动态范围至关重要,因为延长的相位探测时间有助于更宽的相位范围。 在本文中,我们引入了一种新颖的量子去放大机制,在最小牺牲灵敏度的情况下扩展动态范围。 我们的方法使用两次连续的自旋压缩操作分别生成和检测纠缠探针状态。 我们证明,通过两轴反向扭转动力学可以接近最优的量子干涉仪极限。 通过在相位编码过程之间插入连续的量子去放大,可以进一步扩展动态范围。 此外,我们展示了通过结合量子去放大和量子放大的混合传感方案,可以增强对检测噪声的鲁棒性。 我们的协议处于当前最先进的原子分子光学平台的实现范围内,为纠缠增强的计量学提供了一种可扩展、抗噪声的路径。
摘要: Balancing high sensitivity with a broad dynamic range is a fundamental challenge in measurement science, as improving one often compromises the other. While traditional quantum metrology has prioritized enhancing local sensitivity, a large dynamic range is crucial for applications such as atomic clocks, where extended phase interrogation times contribute to wider phase range. In this Letter, we introduce a novel quantum deamplification mechanism that extends dynamic range at a minimal cost of sensitivity. Our approach uses two sequential spin-squeezing operations to generate and detect an entangled probe state, respectively. We demonstrate that the optimal quantum interferometer limit can be approached through two-axis counter-twisting dynamics. Further expansion of dynamic range is possible by using sequential quantum deamplification interspersed with phase encoding processes. Additionally, we show that robustness against detection noise can be enhanced by a hybrid sensing scheme that combines quantum deamplification with quantum amplification. Our protocol is within the reach of state-of-the-art atomic-molecular-optical platforms, offering a scalable, noise-resilient pathway for entanglement-enhanced metrology.
评论: (4.5+2.5)页,4张图。更新:已被Phys. Rev. Lett.接收,补充材料已添加(7页),数据可用性已添加,其他内容已更新
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 量子气体 (cond-mat.quant-gas)
引用方式: arXiv:2412.15061 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2412.15061v4 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.15061
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Phys. Rev. Lett. 135, 040801 (2025)
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/25ds-9724
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Ming Xue [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2024 年 12 月 19 日 17:08:27 UTC (4,854 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 1 月 2 日 02:54:17 UTC (4,145 KB)
[v3] 星期一, 2025 年 1 月 6 日 15:01:08 UTC (3,988 KB)
[v4] 星期日, 2025 年 6 月 29 日 15:16:11 UTC (4,836 KB)
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