量子もつれで加速度センサーやダークマターセンサーがより正確になる可能性(Quantum entanglement could make accelerometers and dark matter sensors more accurate)

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2023-04-20 ミシガン大学

Nature Photonicsに掲載された新しい研究は、量子もつれが、センシングデバイスを乱す力を測定するオプトメカニカルセンサーの精度を向上させる可能性があることを示唆しています。
実験は、押されることを経験した後に振動する膜で行われました。エンタングルメントにより、調整レベルがさらに向上し、2本のエンタングルメントされていないビームを使った場合よりも40%精度の高い測定が可能になりました。この技術は、加速度センサーを改良することができ、GPS衛星のない惑星での慣性航法や、人が異なる階を移動する際の建物内でのナビゲーションに使用することができます。また、ダークマターの存在を特定するような、非常に微妙な力を探すセンサーを実現できるかもしれません。

<関連情報>

エンタングルメント強化型オプトメカニカルセンシング Entanglement-enhanced optomechanical sensing

Yi Xia,Aman R. Agrawal,Christian M. Pluchar,Anthony J. Brady,Zhen Liu,Quntao Zhuang,Dalziel J. Wilson & Zheshen Zhang
Nature Photonics  Published:20 April 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-023-01178-0

extended data figure 1

Abstract

Optomechanical systems have been exploited in ultrasensitive measurements of force, acceleration and magnetic fields. The fundamental limits for optomechanical sensing have been extensively studied and now well understood—the intrinsic uncertainties of the bosonic optical and mechanical modes, together with backaction noise arising from interactions between the two, dictate the standard quantum limit. Advanced techniques based on non-classical probes, in situ ponderomotive squeezed light and backaction-evading measurements have been developed to overcome the standard quantum limit for individual optomechanical sensors. An alternative, conceptually simpler approach to enhance optomechanical sensing rests on joint measurements taken by multiple sensors. In this configuration, a pathway to overcome the fundamental limits in joint measurements has not been explored. Here we demonstrate that joint force measurements taken with entangled probes on multiple optomechanical sensors can improve the bandwidth in the thermal-noise-dominant regime or the sensitivity in the shot-noise-dominant regime. Moreover, we quantify the overall performance of entangled probes with the sensitivity–bandwidth product and observe a 25% increase compared with that of classical probes. The demonstrated entanglement-enhanced optomechanical sensors would enable new capabilities for inertial navigation, acoustic imaging and searches for new physics.

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