Khoa Vật lý Ứng dụng, Đại học Geneva, 1211 Geneva, Thụy Sĩ
Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.
Tóm tắt
Thời gian tối thiểu cần thiết để đo nhiệt độ là bao nhiêu? Trong bài báo này, chúng tôi giải quyết câu hỏi này cho một nhóm lớn các quy trình trong đó nhiệt độ được suy ra bằng cách đo đầu dò (nhiệt kế) được ghép yếu với mẫu quan tâm, sao cho quá trình tiến hóa của đầu dò được mô tả rõ ràng bằng phương trình tổng thể lượng tử Markovian. Xem xét chiến lược điều khiển chung nhất trên đầu dò (các phép đo thích ứng, điều khiển tùy ý ở trạng thái của đầu dò và Hamilton), chúng tôi đưa ra các giới hạn về độ chính xác của phép đo có thể đạt được trong một khoảng thời gian hữu hạn và cho thấy rằng trong nhiều trường hợp, các giới hạn cơ bản này có thể bị bão hòa bằng một thí nghiệm tương đối đơn giản. Chúng tôi thấy rằng đối với một loại tương tác chung giữa mẫu và đầu dò, tỷ lệ của độ không đảm bảo đo tỷ lệ nghịch với thời gian của quá trình, một hành vi giống như tiếng ồn phát sinh do tính chất tiêu tan của phép đo nhiệt độ. Kết quả phụ là chúng tôi cho thấy rằng sự dịch chuyển Lamb gây ra bởi tương tác giữa đầu dò và mẫu có thể đóng một vai trò liên quan trong phép đo nhiệt độ, cho phép độ phân giải đo hữu hạn trong chế độ nhiệt độ thấp. Chính xác hơn, độ không đảm bảo đo giảm đa thức theo nhiệt độ là $Trightarrow 0$, trái ngược với sự phân rã theo cấp số nhân thông thường với $T^{-1}$. Chúng tôi minh họa các kết quả chung này cho (i) đầu dò qubit tương tác với mẫu bosonic, trong đó vai trò của dịch chuyển Lamb được nêu bật và (ii) khớp nối siêu bức xạ tập thể giữa đầu dò $N$-qubit và mẫu, cho phép phân rã bậc hai với $N$ độ không đảm bảo đo.
Hình ảnh nổi bật: Sơ đồ cảm biến chung được xem xét trong tác phẩm này. Nhiệt độ (hoặc thông số khác) của một mẫu lớn ở trạng thái cân bằng nhiệt được ước tính bằng cách ghép nó với đầu dò trong một thời gian hữu hạn. Chúng tôi giả định rằng quá trình tiến hóa của tàu thăm dò được mô hình hóa tốt bằng động lực bán nhóm Markovian. Ngoài ra, chúng tôi cho phép khả năng động lực học của đầu dò được hỗ trợ bằng điều khiển lượng tử nhanh nói chung. Đặc biệt, điều này có thể bao gồm các phép đo liên tục, sơ đồ thích ứng với phản hồi và các cổng vướng víu với các hệ lượng tử phụ trợ.
Tóm tắt phổ biến
Ở đây, chúng tôi thiết lập những giới hạn như vậy bất cứ khi nào thời gian cảm nhận bị hạn chế. Nói cách khác, chúng tôi giải quyết câu hỏi: thời gian tối thiểu cần thiết để đo nhiệt độ của mẫu với độ chính xác nhất định là bao nhiêu? Để giải quyết câu hỏi này, chúng tôi xem xét một đầu dò (nhiệt kế) tương tác với mẫu (ở nhiệt độ nào đó) trong một thời gian hữu hạn. Sau đó, chúng tôi rút ra các giới hạn cơ bản về độ chính xác của phép đo và chỉ ra rằng trong nhiều trường hợp, các giới hạn này có thể được bão hòa bằng một thử nghiệm tương đối đơn giản.
Các giới hạn này có hiệu lực trong bối cảnh rộng hơn trong đó tính chất vật lý của mẫu được ước tính thông qua sự tương tác của nó với đầu dò, quá trình tiến hóa của nó được mô tả rõ ràng bằng quá trình tiến hóa Markovian. Thật vậy, kết quả của chúng tôi có thể được hiểu là giới hạn tốc độ liên quan đến tương tác giữa mẫu và đầu dò cụ thể với lượng thông tin (được định lượng bằng Thông tin lượng tử Fisher) mà đầu dò có thể thu được trong một khoảng thời gian hữu hạn. Do đó, kết quả của chúng tôi cung cấp một khuôn khổ chung để đặt các giới hạn cơ bản trong cảm biến thời gian hữu hạn trong các hệ thống mở (lượng tử), cũng như các chiến lược thực tế để bão hòa các giới hạn này.
► Dữ liệu BibTeX
► Tài liệu tham khảo
[1] F. Giazotto, TT Heikkilä, A. Luukanen, AM Savin và JP Pekola, Rev. Mod. Vật lý. 78, 217 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.78.217
[2] Y. Yue và X. Wang, Nano Rev. 3, 11586 (2012).
https:///doi.org/10.3402/nano.v3i0.11586
[3] M. Mehboudi, A. Sanpera và LA Correa, J. Phys. A 52, 303001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / ab2828
[4] LD Carlos và F. Palacio, chủ biên, Đo nhiệt độ ở cấp độ nano, Khoa học nano & Công nghệ nano (Hiệp hội Hóa học Hoàng gia, 2016) trang P007–522.
https: / / doi.org/ 10.1039 / 9781782622031
[5] AD Pasquale và TM Stace, trong Lý thuyết cơ bản của Vật lý (Nhà xuất bản Quốc tế Springer, 2018) trang 503–527.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_21
[6] Hang SL Braunstein và CM, Phys. Mục sư Lett. 72, 3439 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.72.3439
[7] MGA Paris, J. Vật lý. A 49, 03LT02 (2015).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/49/3/03lt02
[8] LA Correa, M. Mehboudi, G. Adesso và A. Sanpera, Phys. Linh mục Lett. 114, 220405 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.220405
[9] L.-S. Quách, B.-M. Xu, J. Zou và B. Shao, Phys. Mục sư A 92, 052112 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052112
[10] S. Campbell, M. Mehboudi, GD Chiara và M. Paternostro, Tạp chí Vật lý mới 19, 103003 (2017).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa7fac
[11] S. Campbell, MG Genoni và S. Deffner, Khoa học và Công nghệ Lượng tử 3, 025002 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aaa641
[12] M. Płodzień, R. Demkowicz-Dobrzański và T. Sowiński, Phys. Mục sư A 97, 063619 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.063619
[13] G. Ruppeiner, Vật lý. Linh mục A 20, 1608 (1979).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.20.1608
[14] T. Jahnke, S. Lanéry và G. Mahler, Phys. Mục sư E 83, 011109 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.83.011109
[15] M. Salado-Mejía, R. Román-Ancheyta, F. Soto-Eguibar, và HM Moya-Cessa, Khoa học và Công nghệ Lượng tử 6, 025010 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/abdca5
[16] D. Reeb và MM Wolf, Tạp chí Vật lý mới 16, 103011 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/10/103011
[17] M. Brunelli, S. Olivares và MGA Paris, Phys. Mục sư A 84, 032105 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.032105
[18] M. Brunelli, S. Olivares, M. Paternostro và MGA Paris, Phys. Mục sư A 86, 012125 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.012125
[19] S. Jevtic, D. Newman, T. Rudolph và TM Stace, Phys. Mục sư A 91, 012331 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.012331
[20] WK Tham, H. Ferretti, AV Sadashivan và AM Steinberg, Báo cáo khoa học 6 (2016), 10.1038/srep38822.
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep38822
[21] A. De Pasquale, K. Yuasa và V. Giovannetti, Phys. Mục sư A 96, 012316 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.012316
[22] PP Hofer, JB Brask, M. Perarnau-Llobet và N. Brunner, Phys. Linh mục Lett. 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 và M. Barbieri, Phys. Mục sư A 98, 050101 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.050101
[24] R. Román-Ancheyta, B. Çakmak và Özgür E Müstecaplıoğlu, Khoa học và Công nghệ Lượng tử 5, 015003 (2019).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ab5e4f
[25] MT Mitchison, T. Fogarty, G. Guarnieri, S. Campbell, T. Busch và J. Goold, Phys. Linh mục Lett. 125, 080402 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.080402
[26] L. Mancino, MG Genoni, M. Barbieri và M. Paternostro, Phys. Nghiên cứu Rev. 2, 033498 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033498
[27] MR Jørgensen, PP Potts, MGA Paris và JB Brask, Nghiên cứu Đánh giá Vật lý 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 và GT Landi, Phys. Linh mục Lett. 123, 180602 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180602
[29] A. Shu, S. Seah và V. Scarani, Phys. Mục sư A 102, 042417 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042417
[30] I. Henao và R. Uzdin, Lượng tử 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 và A. Widera, Phys. Mục sư X 10, 011018 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.011018
[32] KV Hovhannisyan, MR Jørgensen, GT Landi, AM Alhambra, JB Brask và 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 và J. Goold, Phys. Mục sư A 105, L030201 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.L030201
[34] K. Huang, Nhập môn vật lý thống kê (CRC press, 2009).
[35] JJ. Bollinger, WM Itano, DJ Wineland và DJ Heinzen, Phys. Mục sư A 54, R4649 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.R4649
[36] SF Huelga, C. Macchiavello, T. Pellizzari, AK Ekert, MB Plenio và JI Cirac, Phys. Linh mục Lett. 79, 3865 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.79.3865
[37] P. Sekatski, M. Skotiniotis, J. Kołodyński và W. Dür, Quantum 1, 27 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-09-06-27
[38] R. Demkowicz-Dobrzański, J. Czajkowski và P. Sekatski, Phys. Mục sư X 7, 041009 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.041009
[39] S. Chu, M. Zhang, J. Preskill và L. Jiang, Nature Communications 9, 1 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-02510-3
[40] J. Nettersheim, Q. Bouton, D. Adam và A. Widera, bản in trước arXiv arXiv:2203.13656 (2022).
arXiv: 2203.13656
[41] LA Correa, M. Perarnau-Llobet, KV Hovhannisyan, S. Hernández-Santana, M. Mehboudi và A. Sanpera, Phys. Mục sư A 96, 062103 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062103
[42] KV Hovhannisyan và LA Correa, Phys. Mục sư B 98, 045101 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.045101
[43] PP Potts, JB Brask và N. Brunner, Lượng tử 3, 161 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-09-161
[44] RH Dicke, Vật lý. Rev. 93, 99 (1954).
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrev.93.99
[45] CL Latune, I. Sinayskiy và F. Petruccione, Tạp chí Vật lý mới 22, 083049 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088/1367-2630 / aba463
[46] RD Gill và BY Levit, Bernoulli, 59 (1995).
[47] BB Mandelbrot, IRE Trans. Thông tin Lý thuyết 2, 190 (1956).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1956.1056804
[48] J. Uffink và J. van Lith, Đã tìm thấy. Vật lý. 29, 655 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1018811305766
[49] A. Fujiwara và H. Imai, Tạp chí Vật lý A: Toán học và Lý thuyết 41, 255304 (2008).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/41/25/255304
[50] V. Giovannetti, S. Lloyd, và L. Maccone, Thư đánh giá vật lý 96, 010401 (2006). href http:///dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.010401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.96.010401
[51] H.-P. Breuer, F. Petruccione, et al., Lý thuyết về hệ thống lượng tử mở (Nhà xuất bản Đại học Oxford theo yêu cầu, 2002).
[52] PP Hofer, M. Perarnau-Llobet, LDM Miranda, G. Haack, R. Silva, JB Brask và N. Brunner, Tạp chí Vật lý Mới 19, 123037 (2017b).
https: / / doi.org/ 10.1088/1367-2630 / aa964f
[53] JO González, LA Correa, G. Nocerino, JP Palao, D. Alonso và G. Adesso, Hệ thống mở & Động lực thông tin 24, 1740010 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1142 / s1230161217400108
[54] S. Scali, J. Anders và LA Correa, Lượng tử 5, 451 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-05-01-451
[55] TV Tscherbul và P. Brumer, Tạp chí Vật lý Hóa học 142, 104107 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4908130
[56] D. Farina và V. Giovannetti, Phys. Mục sư A 100, 012107 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.012107
[57] M. Cattaneo, GL Giorgi, S. Maniscalco và R. Zambrini, Tạp chí Vật lý mới 21, 113045 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088/1367-2630 / ab54ac
[58] M. Cattaneo, GL Giorgi, S. Maniscalco và R. Zambrini, Đánh giá vật lý A 101 (2020), 10.1103/physreva.101.042108.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physreva.101.042108
[59] G. McCauley, B. Cruikshank, DI Bondar và K. Jacobs, npj Thông tin lượng tử 6 (2020), 10.1038/s41534-020-00299-6.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00299-6
[60] A. Trushechkin, arXiv e-prints , arXiv (2021).
[61] A. Nazir và G. Schaller, trong Các lý thuyết cơ bản về vật lý (Nhà xuất bản quốc tế Springer, 2018) trang 551–577.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_23
[62] KDB Higgins, BW Lovett và EM Gauger, Phys. Mục sư B 88, 155409 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.88.155409
[63] T. Albash, S. Boixo, DA Lidar và P. Zanardi, Tạp chí Vật lý mới 14, 123016 (2012).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/12/123016
[64] R. Dann, A. Levy và R. Kosloff, Phys. Mục sư A 98, 052129 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.052129
[65] R. Demkowicz-Dobrzański, M. Jarzyna và J. Kołodyński, trong Tiến trình về Quang học (Elsevier, 2015) trang 345–435.
https: / / doi.org/ 10.1016 / bs.po.2015.02.003
[66] JP Pekola, P. Solinas, A. Shnirman và DV Averin, Tạp chí Vật lý mới 15, 115006 (2013).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/11/115006
[67] P. Menczel, C. Flindt và K. Brandner, Phys. Nghiên cứu Rev. 2, 033449 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033449
[68] S. Gasparinetti, KL Viisanen, O.-P. Saira, T. Faivre, M. Arzeo, M. Meschke và JP Pekola, Phys. Rev. Áp dụng 3, 014007 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.3.014007
[69] J. Govenius, RE Lake, KY Tan và M. Möttönen, Phys. Linh mục Lett. 117, 030802 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.030802
[70] B. Karimi, F. Brange, P. Samuelsson và 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, và P. Treutlein, Rev. Mod. Vật lý. 90, 035005 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.90.035005
[72] A. Recati, PO Fedichev, W. Zwerger, J. von Delft và P. Zoller, Phys. Linh mục Lett. 94, 040404 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.040404
[73] C. Sabin, A. White, L. Hackermuller và I. Fuentes, Sci. Dân biểu 4, 6436 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep06436
[74] EB Norrgard, SP Eckel, CL Holloway và EL Shirley, Tạp chí Vật lý mới 23, 033037 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/abe8f5
[75] S. Gröblacher, A. Trubarov, N. Prigge, GD Cole, M. Aspelmeyer và J. Eisert, Nature Communications 6 (2015), 10.1038/ncomms8606.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms8606
[76] A. Lampo, SH Lim, M. Á. García-March và M. Lewenstein, Lượng tử 1, 30 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-09-27-30
[77] A. Frisk Kockum, A. Miranowicz, S. De Liberato, S. Savasta và F. Nori, Tạp chí Tự nhiên Vật lý 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 và JI Cirac, Phys. Linh mục Lett. 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 và MD Lukin, Nature 500, 54 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên12373
[80] S. Deffner và S. Campbell, Tạp chí Vật lý A: Toán học và Lý thuyết 50, 453001 (2017).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa86c6
[81] N. Il'in và O. Lychkovskiy, Phys. Linh mục A 103, 062204 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.062204
Trích dẫn
[1] Safoura S. Mirkhalaf, Mohammad Mehboudi và Saleh Rahimi-Keshari, “Ý nghĩa hoạt động của tính không phân lớp trong phép đo nhiệt lượng lượng tử Gaussian không cân bằng”, arXiv: 2207.10742.
[2] Julia Boeyens, Stella Seah và Stefan Nimmrichter, “Nhiệt kế lượng tử Bayesian không xác định”, Đánh giá vật lý A 104 5, 052214 (2021).
[3] Daniel Grimmer, Irene Melgarejo-Lermas, José Polo-Gómez và Eduardo Martín-Martínez, “Giải mã lý thuyết trường lượng tử bằng học máy”, arXiv: 1910.03637.
[4] Marek Winczewski và Robert Alicki, “Tái chuẩn hóa trong lý thuyết về hệ thống lượng tử mở thông qua điều kiện tự nhất quán”, arXiv: 2112.11962.
[5] Ivan Henao, Karen V. Hovhannisyan và Raam Uzdin, “Máy đo nhiệt độ siêu chính xác ở nhiệt độ thấp”, arXiv: 2108.10469.
[6] Paolo Abiuso, Paolo Andrea Erdman, Michael Ronen, Frank Noé, Géraldine Haack và Martí Perarnau-Llobet, “Khám phá nhiệt kế tối ưu với Mạng quay được hỗ trợ bởi Machine-Learning”, arXiv: 2211.01934.
Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2022 / 12-08 13:17:27). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.
On Dịch vụ trích dẫn của Crossref không có dữ liệu về các công việc trích dẫn được tìm thấy (lần thử cuối cùng 2022 / 12-08 13:17:25).
Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.
