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Time-reversal-based quantum metrology with many-body entangled states

量子计量学 海森堡极限 量子极限 量子传感器 物理 量子纠缠 计量学 不确定性原理 量子力学 量子 统计物理学 量子网络
作者
Simone Colombo,Edwin Pedrozo-Peñafiel,Albert F. Adiyatullin,Zeyang Li,Enrique Mendez,Chi-Wang Shu,Vladan Vuletić
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:18 (8): 925-930 被引量:33
标识
DOI:10.1038/s41567-022-01653-5
摘要

In quantum metrology, entanglement represents a valuable resource that can be used to overcome the Standard Quantum Limit (SQL) that bounds the precision of sensors that operate with independent particles. Measurements beyond the SQL are typically enabled by relatively simple entangled states (squeezed states with Gaussian probability distributions), where quantum noise is redistributed between different quadratures. However, due to both fundamental limitations and the finite measurement resolution achieved in practice, sensors based on squeezed states typically operate far from the true fundamental limit of quantum metrology, the Heisenberg Limit. Here, by implementing an effective time-reversal protocol through a controlled sign change in an optically engineered many-body Hamiltonian, we demonstrate atomic-sensor performance with non-Gaussian states beyond the limitations of spin squeezing, and without the requirement of extreme measurement resolution. Using a system of 350 neutral $^{171}$Yb atoms, this signal amplification through time-reversed interaction (SATIN) protocol achieves the largest sensitivity improvement beyond the SQL ($11.8 \pm 0.5$~dB) demonstrated in any interferometer to date. Furthermore, we demonstrate a precision improving in proportion to the particle number (Heisenberg scaling), at fixed distance of 12.6~dB from the Heisenberg Limit. These results pave the way for quantum metrology using complex entangled states, with potential broad impact in science and technology. Potential applications include searches for dark matter and for physics beyond the standard model, tests of the fundamental laws of physics, timekeeping, and geodesy.
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