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Fisher Information and entanglement of non-Gaussian spin states

Strobel, Helmut

German Title: Fisher Information und Verschränkung von nicht-Gaußschen Spin-Zuständen

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Abstract

In this thesis, we study a novel method to extract the Fisher information of quantum states from direct measurements without the need for state reconstruction. Our method characterizes the distinguishability of experimental probability distributions of the collective spin. The Fisher information is obtained via the observed rate of change of their statistical distance as a function of an experimental control parameter, which constitutes a phase transformation of the quantum state. The employed experimental system is a binary Bose-Einstein condensate of several hundred atoms. We use a combination of coherent collisional interaction and linear Rabi coupling of the two atomic states to generate collective non-classical spin states via quantum dynamics close to an unstable fixed point of the corresponding classical system. The fast redistribution of quantum uncertainty results in Gaussian spin-squeezed states for short evolution times which turn into non-Gaussian states on an experimentally feasible time scale. For the generated non-Gaussian states we observe a Fisher information larger than the number of atoms in the detected ensemble, which is a signature of particle entanglement, in a regime where no spin-squeezing is present. We confirm the implied resource for quantumenhanced measurements with the implementation of a model-free Bayesian protocol which obtains a sensitivity beyond the standard quantum limit in accordance with the extracted Fisher information.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer neuartigen Methode, die sogenannte Fisher-Information von Quantenzuständen aus direkten Messungen zu extrahieren, ohne dabei eine Zustands-Rekonstruktion zu benötigen. Unsere Methode charakterisiert die Unterscheidbarkeit der relativen Häufigkeitsverteilungen des kollektiven Spins. Die Fisher Information wird dabei über die beobachtete Änderungsrate ihres statistischen Abstands als Funktion eines experimentellen Kontrollparameters erhalten, der eine Phasentransformation des Quantenzustands darstellt. Unser experimentelles System ist ein Bose-Einstein-Kondensat aus mehreren hundert Atomen. Mit Hilfe einer Kombination von kohärenter Stoßwechselwirkung und linearer Rabi- Kopplung zweier atomarer Zustände erzeugen wir nichtklassische kollektive Spinzustände durch Quantendynamik in der Nähe eines instabilen Fixpunkts des korrespondierenden klassischen Systems. Die schnelle Umverteilung der Quantenunschärfe ergibt dabei auf kurzen Zeitskalen gaußförmige gequetschte Spinzustände, die sich auf experimentell zugänglichen Zeitskalen in nicht-gaußsche Zustände verformen. In diesem Regime, in dem keine Spin-Quetschung mehr vorhanden ist, beobachten wir einen Wert der Fisher-Information, der die Atomzahl des detektierten Ensembles übersteigt, was eine Signatur von Teilchen-Verschränkung darstellt. Wir bestätigen die damit verbundene Möglichkeit quanten-verstärkter Messungen mit der experimentellen Umsetzung eines modellfreien bayesschen Protokolls, das im Einklang mit der extrahierten Fisher Information eine Sensitivität jenseits des Standard-Quanten-Limits zeigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus K.
Date of thesis defense: 4 February 2016
Date Deposited: 17 Feb 2016 10:19
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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