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近年、超強い光物質結合(ultrastrong coupling)での量子計量精度が、選択するゲージ(座標系)に大きく左右されることが判明した。実験的に測定される量子フィッシャ情報(QFI)は、ハーモニック物質の場合、ダイポールゲージと最小結合ゲージ(minimal‑coupling gauge)で最大9.6倍も差が出るという結果が得られた。
研究チームは、ゲージ変換をパラメータθで表すと、QFIが次式で正確に表されることを示した。 F_g(θ)=F_g(0)+4θ²Var(X)-8θW。 ここでXはゲージ生成子、Wはそれと結合強度変化の共分散である。式はすべての結合強度とθに対して成立し、最低結合フレームの基底状態性質だけに依存する。
この関係式を用いれば、ハーモニック物質のQFIは、θ=αのときに最小になり、αは物質と共振器の周波数Ωとωから決定される。
また、Dicke点(κ=1)で発生すると報告されていた虚仮想励起によるQFIの発散は、ゲージ不整合なモデル(ダイポールゲージのみ)でしか見られない現象であることが示された。完全なゲージ整合モデル(Hopfieldモデル)を用いると、この発散は消え、静的QFIは飽和する。
以下の表1は、ω=1の点での諸定数κに対するトランケート(tr)とゲージ整合(cons)のQFIを比較したものである。アプローチを数値計算で確認し、トランケートモデルではκ接近すると100倍以上増加する一方、整合モデルではごく小さくなることが示されている。
| κ | ∂ωω−|tr | ∂ωω−|cons | Iωtr |
|---|
| Iωcons |
|---|
| 0.2 | 0.503 | 0.402 | 0.0028 | 0.0025 |
|---|
| 0.5 | 0.530 | 0.265 | 0.036 | 0.017 |
|---|
| 0.9 | 0.870 | 0.087 | 2.60 | 0.063 |
|---|
| 0.99 | 2.53 | 0.025 | 305 | 0.072 |
|---|