量子物理学：単一イオンの機械振動子の量子増強検出

特殊な量子状態を計測に使って、古典的に振る舞う状態によって決まる限界を超える感度が実現されている。ボソン干渉計では、スクイーズド状態、数状態、「シュレーディンガーの猫」状態が、さまざまなプラットフォームで実現されており、コヒーレント状態を使う干渉計よりも優れた測定精度が実証されている。計測に役立つ別の状態は、エネルギーが最大限異なる2つの固有状態の等確率の重ね合わせである。この状態は、理想的には、量子力学によって許される最大干渉法感度に到達する。今回我々は、調和振動子について、こうした量子状態の感度の向上を実証する。我々は、既存の実験技術を拡張し、単一捕獲イオンの運動において、n = 100までのオーダーの数状態を生み出すとともに、調和振動子の基底状態と、$\frac{1}{\sqrt{2}}(|0⟩+|n⟩)$の形をした18までのnの数状態の重ね合わせを生成した。実験が不完全であるため、理想的なハイゼンベルグ限界に到達できていないが、機械振動子の周波数変化に対する感度の向上が観測された。この感度は、当初はnとともに線形に増大して、n = 12で最大になり、我々はここで、平均占有数が同じコヒーレント状態の理想的な測定に比べて6.4（4）デシベル（不確かさは平均値の1標準偏差）の計測感度の向上を観測した。こうした測定によって、捕獲イオンによる量子情報処理の重要な誤差源である運動デコヒーレンスの特性評価を改善できるはずである。さらに、数状態重ね合わせから得られる量子的な優位性を用いると、他の調和振動子系の精密測定も実現できるはずである。

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