有限温度における量子もつれ状態を用いたセンシング

全ての一般化猫状態が量子センシングにおいて究極のスケーリングの感度を達成しうることを示した。一般化猫状態とは、シュレディンガーの猫と呼ばれるような、マクロに異なる状態の重ね合わせを、量子コヒーレンスを用いて定量的に一般化したもので、混合状態についても定義されている。幅広い状態がこれに分類され、中には、指数関数的にたくさんの状態が混合された一般化猫状態もある。マクロに異なる状態の重ね合わせの代表例として、GHZ状態という、二つのマクロに異なる状態が重ねあわされた純粋状態がある。これは理論的に扱いやすい特殊な状態で、昔からよく研究されており、量子センシングにおいて究極のスケーリングを達成しうることが知られていた。しかしながら、実際に人間が用意できる状態が必ずしもGHZ状態そのものにできるとは限らない上に、他にどのような重ね合わせ状態がセンシングで有用であるか、一般的な条件は知られていなかった。今回、ラムゼタイプのセンシング手順を前提として磁気センシングを考察した。そして、状態の詳細にかかわらず、一般化猫状態であるという条件を満たしてさえいれば、適切な方向の磁場測定の感度が、究極のスケーリングを達成することを示した。ここで言う究極のスケーリングとは、ノイズが存在しない状況においてはハイゼンベルグスケーリングという、量子力学が与える原理的限界のスケーリングであり、現実的なノイズが存在する状況については、GHZ状態について知られていた、標準量子限界とハイゼンベルクスケーリングの中間のとあるスケーリングを意味する。標準量子限界とは、古典的状態で到達しうる限界のスケーリングである。解析的に導出したスケーリングの結果だけでなく、具体系としてシリコン基板中のPドナー電子について、古典的な状態と一般化猫状態の感度の見積もりを行った。比較の結果、数値的にも一般化猫状態の優位性が確認できた。

全ての一般化猫状態が量子センシングにおいて究極のスケーリングの感度を達成しうることを示した。一般化猫状態とは、シュレディンガーの猫と呼ばれるような、マクロに異なる状態の重ね合わせを、量子コヒーレンスを用いて定量的に一般化したもので、混合状態についても定義されている。幅広い状態がこれに分類され、中には、指数関数的にたくさんの状態が混合された一般化猫状態もある。マクロに異なる状態の重ね合わせの代表例として、GHZ状態という、二つのマクロに異なる状態が重ねあわされた純粋状態がある。これは理論的に扱いやすい特殊な状態で、昔からよく研究されており、量子センシングにおいて究極のスケーリングを達成しうることが知られていた。しかしながら、実際に人間が用意できる状態が必ずしもGHZ状態そのものにできるとは限らない上に、他にどのような重ね合わせ状態がセンシングで有用であるか、一般的な条件は知られていなかった。今回、ラムゼタイプのセンシング手順を前提として磁気センシングを考察した。そして、状態の詳細にかかわらず、一般化猫状態であるという条件を満たしてさえいれば、適切な方向の磁場測定の感度が、究極のスケーリングを達成することを示した。ここで言う究極のスケーリングとは、ノイズが存在しない状況においてはハイゼンベルグスケーリングという、量子力学が与える原理的限界のスケーリングであり、現実的なノイズが存在する状況については、GHZ状態について知られていた、標準量子限界とハイゼンベルクスケーリングの中間のとあるスケーリングを意味する。標準量子限界とは、古典的状態で到達しうる限界のスケーリングである。解析的に導出したスケーリングの結果だけでなく、具体系としてシリコン基板中のPドナー電子について、古典的な状態と一般化猫状態の感度の見積もりを行った。比較の結果、数値的にも一般化猫状態の優位性が確認できた。