量子センシングのネットワーク改善に繋がる物理学研究(Study by URI physics professor may lead to improved networked quantum sensing)

2025-10-28 ロードアイランド大学(URI)

ロードアイランド大学(URI)の物理学准教授ウェンチャオ・グー(Wenchao Ge)氏は、量子もつれを利用したネットワーク型量子センシングの理論的研究を発表した。米陸軍研究者カート・ジェイコブズ氏との共同論文「Heisenberg-Limited Continuous-Variable Distributed Quantum Metrology with Arbitrary Weights」(『Physical Review Letters』掲載)では、2つの単一モード量子状態だけでハイゼンベルク限界に到達できる最小構成を提示。これにより、位相シフトの高精度測定を通じて距離や電磁場変化を従来より正確に把握できることを示した。この技術はGPS測位や時間計測の精度を飛躍的に高め、10 m単位の誤差をほぼゼロに近づける潜在力を持つという。研究は2022年に開始した米国科学財団(NSF)支援プロジェクトの一環で、量子資源理論に基づく非古典状態の応用を追求。グー氏は今後、量子状態からの情報抽出効率を最大化し、センシング、通信、計算の最適化を目指すとしている。

<関連情報>

任意の重みを持つハイゼンベルグ限界連続変数分散量子計測 Heisenberg-Limited Continuous-Variable Distributed Quantum Metrology with Arbitrary Weights

Wenchao Ge and Kurt Jacobs
Physical Review Letters  Published: 2 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/jkjj-3gvb

Abstract

Distributed quantum metrology (DQM) enables the estimation of global functions of distributed parameters beyond the capability of separable sensors. Continuous-variable DQM involves using a linear network with at least one nonclassical input. Here, we fully elucidate the structure of linear networks with two nonvacuum inputs, which allows us to prove a number of fundamental properties of continuous-variable DQM. While measuring the sum of parameters at the Heisenberg limit can be achieved with a single nonvacuum input, we show that two inputs, one of which can be classical, are required to measure an arbitrary linear combination of parameters and an arbitrary global function of the parameters. We obtain a universal and tight upper bound on the sensitivity of DQM networks with two inputs, and completely characterize the properties of the nonclassical input required to obtain a quantum advantage. This reveals that a wide range of nonclassical states makes this possible, including a squeezed vacuum. We also show that, for a class of nonclassical inputs, local photon number detection will achieve the maximum sensitivity. Finally we show that a general DQM network has two distinct regimes. The first achieves Heisenberg scaling. In the second the nonclassical input is much weaker than the coherent input, nevertheless providing a multiplicative enhancement to the otherwise classical sensitivity.

1701物理及び化学
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