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Quantum-Enhanced Sensing Based on Time Reversal of Nonlinear Dynamics

Linnemann, Daniel

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Abstract

We experimentally study a nonlinear detection scheme in which entangling interactions are time reversed. In this way, nonclassical many-particle states are disentangled in order to enable their feasible readout. In the context of quantum-enhanced sensing, such nonlinear readout techniques extend the class of entangled probe states that can be leveraged for interrogation without being limited by finite detector resolution.

As the underlying nonlinear mechanism, we employ spin exchange in a Bose-Einstein condensate. The scattering process among spins can be controlled experimentally to not only generate an entangled state but also the corresponding time reversed dynamics.

We explicitly demonstrate a quantum-enhanced measurement by constructing an atomic SU(1,1) interferometer. Herein, spin exchange acts as an amplifier which spontaneously populates initially empty spin states. The nascent entangled two-mode squeezed vacuum state enables sensitive phase measurements. Checking whether or not the initial state is recovered after time reversal reveals phase imprints. This scheme is capable of exhausting the quantum resource by detecting solely average atom numbers, in principle, up to the fundamental Heisenberg limit of phase estimation.

The intrinsic amplification of this interferometry scheme provides benefits for weak signals. We experimentally explore the regime of an extended nonlinear readout in which noiseless amplification permits to maintain quantum-enhanced phase sensitivity even for large magnifications. Integrating nonlinear dynamics into the detection strategy is widely applicable. We provide additional examples by using it as an autonomous building block which maps subtle quantum correlations onto readily detectable quantities.

Translation of abstract (German)

Wir untersuchen experimentell ein nichtlineares Detektionsschema, in dem verschränkende Wechselwirkungen zeitumgekehrt sind. Dies hebt die Verschränkung nichtklassischer Vielteilchenzustände auf, sodass deren Detektion technisch möglich wird. Im Kontext quantenmechanisch verbesserter Messverfahren vergrößern derartige nichlineare Auslesetechniken die Menge verschränkter Zustände, die man sich zum Messen zu Nutze machen kann, ohne dabei durch begrenzte Detektionsauflösung eingeschränkt zu werden.

Als zugrunde liegenden nichtlinearen Mechanismus verwenden wir Spin-Austausch in einem Bose-Einstein Kondensat. Dieser Stoßprozess erlaubt experimentell gesteuert zu werden, sodass sowohl verschränkte Zustände, als auch deren zeitumgekehrte Dynamik erzeugt werden können.

Wir demonstrieren explizit eine quantenmechanisch verbesserte Messung, indem wir ein atomares SU(1,1) Interferometer aufbauen. Hierbei fungiert Spin-Austausch als Verstärker, der anfänglich leere Spinzustände spontan bevölkert. Der im Entstehen begriffene verschränkte Zweimoden-gequetschte Vakuumzustand ermöglicht empfindliche Phasenmessungen. Indem man überprüft, ob nach Zeitumkehr der anfängliche Zustand wiederhergestellt ist, können Phasenveränderungen erkannt werden. Diese Technik ist in der Lage, durch bloßes Messen von mittleren Atomzahlen das Potential des verschränkten Zustandes vollumfänglich auszuschöpfen; im Prinzip, bis zur Heisenbergschen Höchstgrenze für Phasenbestimmungen.

Die dem Interferometer innewohnende Verstärkung ist vorteilhaft für schwache Signale. Experimentell erforschen wir auch ein verlängertes nichtlineares Ausleseverfahren, in dem die rauschfreie Verstärkung es ermöglicht, dass selbst unter starker Vergrößerung die quantenmechanisch verbesserte Phasensensitivität erhalten bleibt. Es ist häufig möglich, nichtlineare Dynamik in das Detektionssystem einzubeziehen. Wir führen weiter Beispiele an, indem wir sie als losgelösten Grundbaustein behandeln, der verborgene quantenmechanische Korrelationen auf einfach zu detektierende Größen abbildet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus K.
Date of thesis defense: 14 December 2017
Date Deposited: 20 Dec 2017 14:12
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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