論文の概要: Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2101.12048v1
• Date: Thu, 28 Jan 2021 15:04:49 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-13 11:39:12.569688
• Title: Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins
• Title（参考訳）: 固体スピンによる環境条件下での標準量子限界の破れ
• Authors: Tianyu Xie, Zhiyuan Zhao, Xi Kong, Wenchao Ma, Mengqi Wang, Xiangyu Ye, Pei Yu, Zhiping Yang, Shaoyi Xu, Pengfei Wang, Ya Wang, Fazhan Shi, and Jiangfeng Du
• Abstract要約: 標準量子極限()をハイゼンベルク極限(HL)に打ち勝つ全干渉計列を示す。 我々は、ダイヤモンドの窒素空孔欠陥(NV)というハイブリッドマルチスピンシステムを採用している。 ここで用いられる技術は、量子センシングと計算において基本的な重要性があり、他の固体スピン系にも自然に適用できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 14.837590652322564
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Precision measurement plays a crucial role in all fields of science. The use of entangled sensors in quantum metrology improves the precision limit from the standard quantum limit (SQL) to the Heisenberg limit (HL). To date, most experiments beating the SQL are performed on the sensors which are well isolated under extreme conditions. However, it has not been realized in solid-state spin systems at ambient conditions, owing to its intrinsic complexity for the preparation and survival of pure and entangled quantum states. Here we show a full interferometer sequence beating the SQL by employing a hybrid multi-spin system, namely the nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond. The interferometer sequence starts from a deterministic and joint initialization, undergoes entanglement and disentanglement of multiple spins, and ends up with projective measurement. In particular, the deterministic and joint initialization of NV negative state, NV electron spin, and two nuclear spins is realized at room temperature for the first time. By means of optimal control, non-local gates are implemented with an estimated fidelity above the threshold for fault-tolerant quantum computation. With these techniques combined, we achieve two-spin interference with a phase sensitivity of 1.79 \pm 0.06 dB beyond the SQL and three-spin 2.77 \pm 0.10 dB. Moreover, the deviations from the HL induced by experimental imperfections are completely accountable. The techniques used here are of fundamental importance for quantum sensing and computing, and naturally applicable to other solid-state spin systems.
• Abstract（参考訳）: 精密測定は科学のあらゆる分野において重要な役割を果たす。 量子計測における絡み合ったセンサの使用は、標準量子限界(sql)からハイゼンベルク限界(hl)までの精度の限界を改善する。 現在、ほとんどの実験は、極端な条件下で十分に分離されたセンサー上でSQLを叩く。 しかし、純粋な量子状態と絡み合った状態の準備と生存に固有の複雑さのため、周囲の条件下で固体スピン系では実現されていない。 ここでは, ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)欠陥をハイブリッドマルチスピンシステムを用いてSQLに打ち勝つ全干渉計シーケンスを示す。 干渉計のシーケンスは決定論的およびジョイント初期化から始まり、複数のスピンの絡み合いと絡み合いを経て、射影的測定に終わる。 特に、NV陰状態、NV電子スピン、および2つの核スピンの決定論的および共同初期化は、初めて室温で実現される。 最適制御により、フォールトトレラント量子計算のしきい値よりも高い精度で非局所ゲートを実装する。 これらの手法を組み合わせることで、SQLを超える位相感度1.79 \pm 0.06 dBと3スピン2.77 \pm 0.10 dBの2スピン干渉を実現する。 さらに、実験不完全性によって引き起こされるhlからの偏差は、完全に説明可能である。 ここで用いられる技術は量子センシングと計算において基本的な重要性があり、他の固体スピン系にも自然に適用できる。

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