量子光学：予測測定とレトロディクション測定による10¹¹個の原子のスピンスクイージング

N個の非相関粒子を使う量子プローブの測定感度は、1/√Nに比例する標準的な量子限界によって制限されている。しかし、この限界はスピンスクイーズド状態などの量子エンタングル状態を利用すれば克服できる。今回我々は、巨視的な蒸気セルに含まれる10¹¹個のルビジウム原子の集団スピンを探索するために、標準量子限界を超える量子状態を測定に基づいて生成したことを報告する。この量子状態は、一連のストロボスコピックな量子非破壊（QND）測定によって生成・確認された。次に我々は、過去の量子状態に関する理論を適用して、この状態の前後両方のQND測定の結果からスピン状態の情報を得た。過去の量子状態は、実験室において物理的にスクイーズされた状態を確立するのではなく、こうした予測測定とレトロディクション測定から得られた系の情報の組み合わせを表している。この情報は、コヒーレントスピン状態と比べて、5.6 dBの雑音低減と4.5 dBの計測学的に意味のあるスクイージングに相当する。過去の量子状態からは、スピン成分に対して、従来のQND測定によって得られる制限より厳しい制限が課された。今回の測定は、これまでのスクイージング実験より1000倍多い原子を使っており、対応するスクイーズされた集団スピンの角度分散は4.6 × 10⁻¹³ rad²である。今回の研究は、量子測定の基礎理論に基づいているが、我々のプロトコルの量子増強原子磁気測定への応用からも実証されたように、量子計測や量子パラメーターの推定に実用的用途が見いだされる可能性がある。

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