Unidad de Sistemas Cuánticos, Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, Onna, Okinawa 904-0495, Japón
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Resumen
Examinamos cuidadosamente la metrología crítica y presentamos un protocolo mejorado de metrología cuántica crítica que se basa en apagar un sistema que exhibe una transición de fase cuántica superradiante más allá de su punto crítico. Mostramos que este enfoque puede conducir a un aumento exponencial de la información cuántica de Fisher en el tiempo con respecto a los protocolos críticos de metrología cuántica existentes que se basan en la extinción cerca del punto crítico y la observación del comportamiento de la ley de potencia. Demostramos que el enlace de Cramér-Rao puede saturarse en nuestro protocolo mediante el esquema de detección homodina estándar. Mostramos explícitamente su ventaja utilizando la configuración arquetípica del modelo de Dicke y exploramos un gas cuántico acoplado a un campo de cavidad monomodo como plataforma potencial. En este caso, en la práctica se puede observar una mejora exponencial adicional de la información cuántica de Fisher con el número de átomos $N$ en la cavidad, incluso en ausencia de términos de acoplamiento $N$-cuerpo.
Imagen de portada: El esquema representa un modelo de juguete para una transición de fase cuántica ($g/g_c>1$ es la fase superradiante), siendo la línea negra el potencial efectivo que siente un estado cuántico (línea gris discontinua). Conducir el sistema cerca del punto crítico ($g/g_c sim 1)$ crea las excitaciones correlacionadas (comprimidas) a una velocidad muy lenta (desaceleración crítica), ya que el potencial efectivo todavía está en forma de atrapamiento. Sin embargo, si el sistema se apaga más allá del punto crítico ($g/g_c > 1$), se puede generar el mismo número de excitaciones correlacionadas mucho más rápido ya que el estado inicial se comportará como si estuviera colocado en un potencial de oscilador armónico invertido. Las elipses violetas representan la imagen del espacio de fase del estado.
Resumen popular
Los sistemas que exhiben transiciones de fase cuánticas han sido recientemente objeto de intensa atención debido a su extrema sensibilidad en las proximidades del punto crítico. Sin embargo, la preparación del estado fundamental crítico debe realizarse en escalas de tiempo largas para evitar excitaciones, lo que hasta ahora ha dado como resultado un escalado subóptimo de la sensibilidad teniendo en cuenta el tiempo como recurso.
En nuestro trabajo, nos apartamos de la noción tradicional de metrología cerca de un punto crítico y, en cambio, mostramos que la sensibilidad se puede mejorar exponencialmente en un protocolo dinámico al apagar más allá del punto crítico. Probamos matemáticamente en el entorno paradigmático de la QED de cavidad que se puede obtener una sensibilidad que crece exponencialmente con el tiempo apagando a través de una transición de fase superradiante. Mostramos que esto está asociado con una ocupación macroscópica del modo fotónico, y que un esquema básico de detección homodina produce la medición óptima. Nuestro resultado ofrece una aceleración exponencial en el tiempo con respecto a los protocolos existentes que actúan cerca del punto crítico en una clase general de sistemas superradiantes y abre una nueva vía para la metrología cuántica dinámica en sistemas críticos.
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Citado por
[1] Louis Garbe, Obinna Abah, Simone Felicetti y Ricardo Puebla, “Precisión exponencial al alcanzar un punto crítico cuántico”, arXiv: 2112.11264.
[2] Louis Garbe, Obinna Abah, Simone Felicetti y Ricardo Puebla, “Metrología cuántica crítica con modelos totalmente conectados: de Heisenberg al escalamiento de Kibble-Zurek”, Ciencia y tecnología cuántica 7 3, 035010 (2022).
[3] Karol Gietka, “Exprimir mediante aceleración crítica: aplicaciones en metrología cuántica”, Revisión física A 105 4, 042620 (2022).
[4] Fabrizio Minganti, Louis Garbe, Alexandre Le Boité y Simone Felicetti, “Transición superradiante no gaussiana mediante acoplamiento ultrafuerte de tres cuerpos”, arXiv: 2204.03520.
[5] Enrico Rinaldi, Roberto Di Candia, Simone Felicetti y Fabrizio Minganti, “Lectura de qubit dispersiva con aprendizaje automático”, arXiv: 2112.05332.
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