Kritische Quantennetzmetrologie robust gegen Dissipation und Nicht-Adiabatik

Kritische Systeme nahe Quantenphasenübergängen wurden als nützlich für die Verbesserung der metrologischen Präzision vorhergesagt, dank ihrer ultra-sensitiven Reaktion auf eine winzige Variation des Steuer-Hamiltonoperators. Trotz der vielversprechenden Perspektive ist die Realisierung der durch Kritikalität verbesserten Quantennetzmetrologie eine experimentell herausfordernde Aufgabe, hauptsächlich aufgrund der extrem langen Zeit, die benötigt wird, um das Signal in eine physikalische Größe eines kritischen Systems zu kodieren. Wir umgehen dieses Problem hier, indem wir die kritischen Verhaltensweisen im Jaynes-Cummings-Modell nutzen, das ein einzelnes Qubit und einen photonischen Resonator umfasst, an den das Signalfeld gekoppelt ist. Die Information über die Feldamplitude wird in der Anregungszahl des Qubits im Dunkelzustand kodiert, der an dem kritischen Punkt eine divergierende Änderungsrate aufweist. Das bemerkenswerteste Merkmal dieses kritischen Sensors ist, dass die Leistung unempfindlich gegenüber den Leckagen zu den hellen Eigenzuständen ist, die durch Dekohärenz und nicht-adiabatische Effekte verursacht werden. Wir demonstrieren ein solches metrologisches Protokoll in einem supraleitenden Schaltkreis, in dem ein Xmon-Qubit, das mit einem Resonator interagiert, als Sonde zur Schätzung der Amplitude eines Mikrowellenfeldes, das an den Resonator gekoppelt ist, verwendet wird. Die gemessene quanten Fisher-Information zeigt eine kritische quantenmechanische Verbesserung, die das Potenzial dieses Systems für die Quantennetzmetrologie bestätigt.