Кафедра прикладної фізики, Женевський університет, 1211 Женева, Швейцарія
Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.
абстрактний
Який мінімальний час потрібен для вимірювання температури? У цьому документі ми вирішуємо це питання для великого класу процесів, де температура визначається шляхом вимірювання зонда (термометра), слабко пов’язаного зі зразком, що цікавить, так що еволюція зонда добре описується квантовим рівнянням Маркова. Розглядаючи найзагальнішу стратегію керування зондом (адаптивні вимірювання, довільне керування станом зонда та гамільтоніаном), ми надаємо обмеження на досяжну точність вимірювання за кінцевий проміжок часу та показуємо, що в багатьох сценаріях ці фундаментальні межі можуть бути насиченими. з відносно простим експериментом. Ми виявили, що для загального класу взаємодій зразок-зонд масштабування невизначеності вимірювання обернено пропорційно до часу процесу, подібна до дробового шуму поведінка, яка виникає через дисипативну природу термометрії. Як побічний результат, ми показуємо, що зсув Лемба, викликаний взаємодією зонд-зразок, може відігравати важливу роль у термометрії, дозволяючи кінцеву роздільну здатність вимірювання в режимі низьких температур. Точніше, похибка вимірювання поліноміально спадає з температурою як $Trightarrow 0$, на відміну від звичайного експоненціального спадання з $T^{-1}$. Ми проілюструємо ці загальні результати для (i) зонда кубіта, що взаємодіє з бозонним зразком, де підкреслюється роль зсуву Лемба, і (ii) колективного надвипромінювального зв’язку між зондом $N$-кубіта та зразком, що дозволяє квадратичний спад із $N$ невизначеності вимірювання.
Рекомендоване зображення: загальна схема зондування, розглянута в цій роботі. Температура (або інший параметр) великого зразка в стані теплової рівноваги оцінюється шляхом підключення його до зонда на кінцевий час. Ми припускаємо, що еволюція зонда добре моделюється марковською напівгруповою динамікою. Крім того, ми допускаємо можливість того, що динаміці зонда сприяє загальний швидкий квантовий контроль. Зокрема, це може включати безперервні вимірювання, адаптивні схеми зі зворотним зв'язком і заплутані ворота з допоміжними квантовими системами.
Популярне резюме
Тут ми встановлюємо такі обмеження щоразу, коли час зондування обмежений. Іншими словами, ми розглядаємо питання: який мінімальний час необхідний для вимірювання температури зразка із заданою точністю? Щоб відповісти на це питання, ми розглянемо зонд (термометр), який взаємодіє зі зразком (при деякій температурі) протягом кінцевого часу. Потім ми виводимо фундаментальні межі точності вимірювань і показуємо, що в багатьох сценаріях ці межі можна наситити за допомогою відносно простого експерименту.
Ці обмеження дійсні в ширшому контексті, коли фізичні властивості зразка оцінюються через його взаємодію з зондом, чия еволюція добре описується еволюцією Маркова. Дійсно, наші результати можна розуміти як обмеження швидкості, що пов’язує конкретну взаємодію зразка та зонда з кількістю інформації (кількісно визначеної квантовою інформацією Фішера), яку може отримати зонд за кінцевий проміжок часу. Таким чином, наші результати забезпечують загальну основу для встановлення фундаментальних обмежень у зондуванні за кінцевий час у відкритих (квантових) системах, а також практичні стратегії для насичення цих меж.
► Дані BibTeX
► Список літератури
[1] F. Giazotto, TT Heikkilä, A. Luukanen, AM Savin і JP Pekola, Rev. Mod. фіз. 78, 217 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.78.217
[2] Y. Yue and X. Wang, Nano Rev. 3, 11586 (2012).
https:///doi.org/10.3402/nano.v3i0.11586
[3] M. Mehboudi, A. Sanpera та LA Correa, J. Phys. A 52, 303001 (2019).
https:///doi.org/10.1088/1751-8121/ab2828
[4] LD Carlos and F. Palacio, eds., Thermometry at the Nanoscale, Nanoscience & Nanotechnology Series (The Royal Society of Chemistry, 2016) стор P007–522.
https: / / doi.org/ 10.1039 / 9781782622031
[5] AD Pasquale і TM Stace, у Фундаментальних теоріях фізики (Springer International Publishing, 2018) стор. 503–527.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_21
[6] SL Braunstein and CM Caves, Phys. Преподобний Летт. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[7] MGA Paris, J. Phys. A 49, 03LT02 (2015).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/49/3/03lt02
[8] LA Correa, M. Mehboudi, G. Adesso, and A. Sanpera, Phys. Преподобний Летт. 114, 220405 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.220405
[9] Л.-С. Го, Б.-М. Xu, J. Zou і B. Shao, Phys. Rev. A 92, 052112 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052112
[10] С. Кемпбелл, М. Мехбуді, Г. Д. К’яра та М. Патерностро, New Journal of Physics 19, 103003 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa7fac
[11] С. Кемпбелл, М. Г. Дженоні та С. Деффнер, Квантова наука та технологія 3, 025002 (2018).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/aaa641
[12] M. Płodzień, R. Demkowicz-Dobrzański, and T. Sowiński, Phys. Rev. A 97, 063619 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063619
[13] G. Ruppeiner, Phys. Rev. A 20, 1608 (1979).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.20.1608
[14] Т. Янке, С. Ланері та Г. Малер, Phys. Rev. E 83, 011109 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.83.011109
[15] M. Salado-Mejía, R. Roman-Ancheyta, F. Soto-Eguibar, and HM Moya-Cessa, Quantum Science and Technology 6, 025010 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abdca5
[16] D. Reeb і MM Wolf, New Journal of Physics 16, 103011 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/10/103011
[17] M. Brunelli, S. Olivares і MGA Paris, Phys. Rev. A 84, 032105 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.032105
[18] М. Брунеллі, С. Оліварес, М. Патерностро та MGA Paris, Phys. Rev. A 86, 012125 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.012125
[19] S. Jevtic, D. Newman, T. Rudolph і TM Stace, Phys. Rev. A 91, 012331 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.012331
[20] WK Tham, H. Ferretti, AV Sadashivan та AM Steinberg, Scientific Reports 6 (2016), 10.1038/srep38822.
https:///doi.org/10.1038/srep38822
[21] A. De Pasquale, K. Yuasa, and V. Giovannetti, Phys. Rev. A 96, 012316 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.012316
[22] PP Hofer, JB Brask, M. Perarnau-Llobet і N. Brunner, Phys. Преподобний Летт. 119, 090603 (2017a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.090603
[23] V. Cavina, L. Mancino, A. De Pasquale, I. Gianani, M. Sbroscia, RI Booth, E. Roccia, R. Raimondi, V. Giovannetti та M. Barbieri, Phys. Rev. A 98, 050101 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.050101
[24] Р. Роман-Анчейта, Б. Чакмак і Озгюр Е Мустекапліоглу, Квантова наука та технологія 5, 015003 (2019).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ab5e4f
[25] MT Mitchison, T. Fogarty, G. Guarnieri, S. Campbell, T. Busch, and J. Goold, Phys. Преподобний Летт. 125, 080402 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.080402
[26] L. Mancino, MG Genoni, M. Barbieri, and M. Paternostro, Phys. Дослідження 2, 033498 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033498
[27] MR Jørgensen, PP Potts, MGA Paris, and JB Brask, Physical Review Research 2 (2020), 10.1103/physrevresearch.2.033394.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.2.033394
[28] S. Seah, S. Nimmrichter, D. Grimmer, JP Santos, V. Scarani та GT Landi, Phys. Преподобний Летт. 123, 180602 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180602
[29] A. Shu, S. Seah і V. Scarani, Phys. Rev. A 102, 042417 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042417
[30] І. Хенао та Р. Уздін, Квант 5, 547 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-21-547
[31] Q. Bouton, J. Nettersheim, D. Adam, F. Schmidt, D. Mayer, T. Lausch, E. Tiemann і A. Widera, Phys. Ред. X 10, 011018 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.011018
[32] KV Hovhannisyan, MR Jørgensen, GT Landi, AM Alhambra, JB Brask, and M. Perarnau-Llobet, PRX Quantum 2, 020322 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020322
[33] MT Mitchison, A. Purkayastha, M. Brenes, A. Silva та J. Goold, Phys. Rev. A 105, L030201 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.105.L030201
[34] K. Huang, Introduction to statistical physics (CRC press, 2009).
[35] JJ . Bollinger, WM Itano, DJ Wineland та DJ Heinzen, Phys. Rev. A 54, R4649 (1996).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.54.R4649
[36] SF Huelga, C. Macchiavello, T. Pellizzari, AK Ekert, MB Plenio та JI Cirac, Phys. Преподобний Летт. 79, 3865 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.79.3865
[37] P. Sekatski, M. Skotiniotis, J. Kołodyński та W. Dür, Quantum 1, 27 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-09-06-27
[38] R. Demkowicz-Dobrzański, J. Czajkowski, and P. Sekatski, Phys. Ред. X 7, 041009 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.041009
[39] S. Zhou, M. Zhang, J. Preskill і L. Jiang, Nature Communications 9, 1 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-02510-3
[40] J. Nettersheim, Q. Bouton, D. Adam і A. Widera, препринт arXiv arXiv:2203.13656 (2022).
arXiv: 2203.13656
[41] LA Correa, M. Perarnau-Llobet, KV Hovhannisyan, S. Hernández-Santana, M. Mehboudi, and A. Sanpera, Phys. Rev. A 96, 062103 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062103
[42] KV Hovhannisyan and LA Correa, Phys. B 98, 045101 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.98.045101
[43] PP Potts, JB Brask і N. Brunner, Quantum 3, 161 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-09-161
[44] RH Dicke, Phys. 93, 99 (1954).
https:///doi.org/10.1103/physrev.93.99
[45] CL Latune, I. Sinayskiy та F. Petruccione, New Journal of Physics 22, 083049 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aba463
[46] RD Gill і BY Levit, Bernoulli, 59 (1995).
[47] BB Mandelbrot, IRE Trans. Інф. Теорія 2, 190 (1956).
https:///doi.org/10.1109/TIT.1956.1056804
[48] J. Uffink і J. van Lith, Found. фіз. 29, 655 (1999).
https:///doi.org/10.1023/A:1018811305766
[49] A. Fujiwara та H. Imai, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 41, 255304 (2008).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/41/25/255304
[50] V. Giovannetti, S. Lloyd і L. Maccone, Physical review letters 96, 010401 (2006). href http:///dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.010401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.96.010401
[51] Х.-П. Брейєр, Ф. Петруччоне та ін., Теорія відкритих квантових систем (Oxford University Press on Demand, 2002).
[52] PP Hofer, M. Perarnau-Llobet, LDM Miranda, G. Haack, R. Silva, JB Brask і N. Brunner, New Journal of Physics 19, 123037 (2017b).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa964f
[53] JO González, LA Correa, G. Nocerino, JP Palao, D. Alonso, and G. Adesso, Open Systems & Information Dynamics 24, 1740010 (2017).
https:///doi.org/10.1142/s1230161217400108
[54] С. Скалі, Дж. Андерс і Л. А. Корреа, Квант 5, 451 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-05-01-451
[55] TV Tscherbul і P. Brumer, The Journal of Chemical Physics 142, 104107 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4908130
[56] Д. Фаріна та В. Джованетті, Phys. Rev. A 100, 012107 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.012107
[57] М. Каттанео, Г. Л. Джорджі, С. Маніскалко та Р. Замбріні, New Journal of Physics 21, 113045 (2019).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ab54ac
[58] М. Каттанео, Г. Л. Джорджі, С. Маніскалко та Р. Замбріні, Physical Review A 101 (2020), 10.1103/physreva.101.042108.
https:///doi.org/10.1103/physreva.101.042108
[59] G. McCauley, B. Cruikshank, DI Bondar і K. Jacobs, npj Quantum Information 6 (2020), 10.1038/s41534-020-00299-6.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00299-6
[60] А. Трушечкін, arXiv e-prints , arXiv (2021).
[61] А. Назір і Г. Шаллер, у фундаментальних теоріях фізики (Springer International Publishing, 2018) стор. 551–577.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_23
[62] KDB Higgins, BW Lovett та EM Gauger, Phys. B 88, 155409 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.88.155409
[63] T. Albash, S. Boixo, DA Lidar і P. Zanardi, New Journal of Physics 14, 123016 (2012).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/12/123016
[64] Р. Данн, А. Леві та Р. Кослофф, Phys. Rev. A 98, 052129 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.052129
[65] R. Demkowicz-Dobrzański, M. Jarzyna, and J. Kołodyński, in Progress in Optics (Elsevier, 2015) стор. 345–435.
https:///doi.org/10.1016/bs.po.2015.02.003
[66] JP Pekola, P. Solinas, A. Shnirman і DV Averin, New Journal of Physics 15, 115006 (2013).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/11/115006
[67] P. Menczel, C. Flindt і K. Brandner, Phys. Дослідження 2, 033449 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033449
[68] С. Гаспарінетті, К. Л. Війсанен, О.-П. Saira, T. Faivre, M. Arzeo, M. Meschke і JP Pekola, Phys. Застосована редакція 3, 014007 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.3.014007
[69] J. Govenius, RE Lake, KY Tan і M. Möttönen, Phys. Преподобний Летт. 117, 030802 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.030802
[70] B. Karimi, F. Brange, P. Samuelsson і JP Pekola, Nature Communications 11 (2020), 10.1038/s41467-019-14247-2.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-14247-2
[71] L. Pezzè, A. Smerzi, MK Oberthaler, R. Schmied і P. Treutlein, Rev. Mod. фіз. 90, 035005 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.90.035005
[72] А. Рекаті, П. О. Федічев, В. Цвергер, Й. фон Делфт і П. Золлер, Phys. Преподобний Летт. 94, 040404 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.040404
[73] C. Sabin, A. White, L. Hackermuller та I. Fuentes, Sci. Доповідь 4, 6436 (2014).
https:///doi.org/10.1038/srep06436
[74] EB Norrgard, SP Eckel, CL Holloway та EL Shirley, New Journal of Physics 23, 033037 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/abe8f5
[75] S. Gröblacher, A. Trubarov, N. Prigge, GD Cole, M. Aspelmeyer, and J. Eisert, Nature Communications 6 (2015), 10.1038/ncomms8606.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms8606
[76] А. Лампо, С. Х. Лім, М. А. García-March і M. Lewenstein, Quantum 1, 30 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-09-27-30
[77] А. Фріск Кокум, А. Міранович, С. Де Ліберато, С. Саваста та Ф. Норі, Nature Reviews Physics 1, 19 (2019), arXiv:1807.11636.
https://doi.org/10.1038/s42254-018-0006-2
arXiv: 1807.11636
[78] A. González-Tudela, V. Paulisch, HJ Kimble та JI Cirac, Phys. Преподобний Летт. 118, 213601 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.213601
[79] G. Kucsko, PC Maurer, NY Yao, M. Kubo, HJ Noh, PK Lo, H. Park, and MD Lukin, Nature 500, 54 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature12373
[80] С. Деффнер і С. Кемпбелл, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 50, 453001 (2017).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa86c6
[81] Ільїн Н., Личковський О. // Фіз. Rev. A 103, 062204 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.062204
Цитується
[1] Сафура С. Міркхалаф, Мохаммад Мехбуді та Салех Рахімі-Кешарі, «Операційне значення некласичності в нерівноважній квантовій термометрії Гауса», arXiv: 2207.10742.
[2] Джулія Бойєнс, Стелла Сі та Стефан Німмріхтер, «Неінформована байєсовська квантова термометрія», Фізичний огляд A 104 5, 052214 (2021).
[3] Даніель Гріммер, Ірен Мельгарехо-Лермас, Хосе Поло-Гомес та Едуардо Мартін-Мартінес, «Декодування квантової теорії поля за допомогою машинного навчання», arXiv: 1910.03637.
[4] Марек Вінчевський і Роберт Аліцкі, «Перенормування в теорії відкритих квантових систем через умову самоузгодженості», arXiv: 2112.11962.
[5] Іван Хенао, Карен В. Оганнісян, Раам Уздін, «Термометрична машина для надточної термометрії низьких температур», arXiv: 2108.10469.
[6] Паоло Абіузо, Паоло Андреа Ердман, Майкл Ронен, Френк Ное, Жеральдін Хаак і Марті Перарнау-Ллобет, «Відкриття оптимальних термометрів зі спіновими мережами за допомогою машинного навчання», arXiv: 2211.01934.
Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2022-12-08 13:17:27). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.
On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2022-12-08 13:17:25).
Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.
