量子連續變數系統的量子計量學

Temel Kavramlar

本文探討了單模量子連續變數系統在位移和旋轉估計方面的量子計量學，比較了不同量子態（包括高斯態和疊加態）的靈敏度，並分析了基於量子費雪信息的最優估計策略和基於矩量法的實際估計策略。

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Quantum metrology with a continuous-variable system

by Matteo Fadel... : arxiv.org 11-07-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.04122.pdf

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除了量子光學，連續變數量子計量學在其他物理系統中有哪些潛在應用？

除了量子光學，連續變數量子計量學在其他物理系統中也展現出巨大的應用前景，例如：

**囚禁離子：**囚禁離子的運動自由度可以被視為量子諧振子，可用於實現高精度的感測器。例如，通過測量離子運動狀態的變化，可以檢測微弱的電場、磁場和加速度。
**機械振盪器：**隨著量子操控技術的進步，人們已經可以將宏觀的機械振盪器冷卻到量子基態，並實現對其量子態的操控。這些機械振盪器可以用於構建超靈敏的力、位移和加速度感測器，應用於精密測量、材料科學和基礎物理研究。
**微波諧振器：**超導電路中的微波諧振器也是一種重要的連續變量系統，可以與超導量子比特耦合，實現量子信息處理和量子計量。例如，利用微波諧振器可以實現對微波光子的計數和相位測量，應用於量子雷達、量子通信和量子計算等領域。
總之，連續變數量子計量學為精密測量和感測技術帶來了新的可能性，其應用範圍遠遠超出了量子光學領域，在其他物理系統中也具有巨大的應用潛力。

如何評估和減輕實際實驗條件下，例如噪聲和損耗，對連續變數量子計量學精確度的影響？

在實際實驗條件下，噪聲和損耗是影響連續變數量子計量學精確度的兩個主要因素。評估和減輕這些影響對於實現高精度測量至關重要。
評估影響：

噪聲： 環境噪聲會導致量子態的退相干，降低測量精度。可以使用量子態層析技術重建噪聲通道，並量化其對量子態和測量精度的影響。常見的噪聲模型包括：相位噪聲、熱噪聲和光子損耗等。
損耗： 光子損耗會減少可利用的量子資源，降低信噪比，進而影響測量精度。可以通過測量系統的插入損耗和量子效率來量化損耗的大小。
減輕影響：

噪聲：

量子糾錯碼： 可以使用量子糾錯碼來保護量子態免受噪聲的影響。
動態解耦技術： 通過施加一系列精心設計的控制脈衝，可以有效地消除或減輕某些類型的噪聲。
環境工程： 通過優化實驗環境，例如降低溫度、屏蔽電磁場等，可以減少環境噪聲的影響。

損耗：

高效率探測器： 使用高量子效率的探測器可以減少光子損耗帶來的信息損失。
量子中繼器： 在長距離量子通信中，可以使用量子中繼器來克服光子損耗的限制。
後選擇策略： 通過選擇性地保留未受損耗影響的量子態，可以提高測量精度，但會降低成功率。
此外，還可以通過發展新的量子計量方案和協議，例如非高斯態的應用、量子糾纏增強等，來提高系統對噪聲和損耗的容忍度，進一步提高測量精度。

是否存在超越高斯態和簡單疊加態的量子態，可以進一步提高連續變數量子計量學的靈敏度？

是的，除了高斯態和簡單疊加態，確實存在其他類型的量子態，它們在特定條件下可以超越高斯態和簡單疊加態的靈敏度限制，進一步提高連續變數量子計量學的性能。以下列舉一些例子：

非高斯態： 例如压缩猫态（压缩态和猫态的叠加）和NOON态（多光子纠缠态）等非高斯态，在特定参数区域内可以提供超越标准量子极限的测量精度。
** Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 态：** GKP态是一种具有周期性结构的非高斯态，对位移噪声具有很强的鲁棒性，在量子计量和量子信息处理中具有潜在的应用价值。
多模压缩态： 将压缩操作应用于多个相互耦合的量子谐振子模式，可以制备多模压缩态。这种状态可以用于提高多参数估计的精度，并在量子传感和量子成像领域具有应用前景。
然而，制备和操控这些非高斯态通常比高斯态更加困难，需要更复杂的实验技术和更精确的控制手段。目前，这些非高斯态在量子计量学中的应用仍处于探索阶段，需要进一步的研究和发展。
总而言之，探索超越高斯态和简单叠加态的新型量子资源，对于突破现有量子计量学的精度极限，实现更高精度的测量和传感具有重要意义。