量子矢量信号分析仪：基于运动拉曼跃迁的宽带电场传感

对射频（RF）电场的频率、相位和振幅的超灵敏探测是众多重要应用的核心，包括无线电通信、宇宙学、暗物质搜寻和高保真量子比特控制。量子谐振子（QHO）系统，尤其是囚禁离子，已借助多种量子传感技术实现了具有最先进灵敏度和纳米空间分辨率的电场传感。然而，这些系统局限于以囚禁离子振子运动频率或离子光学跃迁频率为中心的窄频范围；且这些技术通常对RF相位不敏感。在此，我们提出并演示了一种方法，释放QHO的极高灵敏度，以实现对未知电场的频率、相位和振幅的高精度宽带探测。具体而言，我们利用近运动基态冷却的单囚禁离子中的运动拉曼跃迁，实现了对频率、相位和振幅的最先进灵敏度，并表明该技术的频率范围比先前技术大800倍以上。进一步，该技术与通过压缩的量子放大及Fock基测量兼容，可实现低于标准量子极限3.4(20) dB的性能，且通过适度升级有望实现灵敏度数个量级的提升。除提供用于小场量子传感的优越平台外，该技术还可用于QHO系统中量子比特控制线的原位校准，以及将外部非共振驱动转导为振子激发。此外，该方法可扩展至其他QHO系统，如超导量子比特-谐振子系统。