論文の概要: Quantum nonlinear spectroscopy of single nuclear spins
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2109.11170v1
- Date: Thu, 23 Sep 2021 06:53:00 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-13 23:19:58.606654
- Title: Quantum nonlinear spectroscopy of single nuclear spins
- Title（参考訳）: 単一核スピンの量子非線形分光法
- Authors: Jonas Meinel, Vadim Vorobyov, Ping Wang, Boris Yavkin, Matthias
Pfender, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, Ren-Bao Liu and Joerg
Wrachtrup
- Abstract要約: 従来の非線形分光法では測定できない単一核スピンの4次相関の抽出を実証する。
量子非線形分光法は、異なる種類の物体を識別するための指紋特性を提供する。
この研究は、量子センシングへの高次相関の適用に向けた最初のステップを構成する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.953997266695533
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Nonlinear spectroscopy is widely used for studying physical systems.
Conventional nonlinear optical spectroscopy and magnetic resonance
spectroscopy, which use classical probes such as electromagnetic waves, can
only access certain types of correlations in a quantum system. The idea of
quantum nonlinear spectroscopy was recently proposed to use quantum probes such
as entangled photons to achieve sensitivities and resolutions beyond the
classical limits. It is shown that quantum sensing can extract arbitrary types
and orders of correlations in a quantum system by first quantum-entangling a
sensor and the object and then measuring the sensor. Quantum sensing has been
applied to achieve nuclear magnetic resonance (NMR) of single atoms and the
second-order correlation spectroscopy has been adopted to enhance the spectral
resolution. However, quantum nonlinear spectroscopy (i.e., the measurement of
higher-order correlations) of single nuclear spins is still elusive. Here we
demonstrate the extraction of fourth-order correlations of single nuclear spins
that cannot be measured in conventional nonlinear spectroscopy, using
sequential weak measurement via an atomic quantum sensor, namely, a
nitrogen-vacancy center in diamond. We show that the quantum nonlinear
spectroscopy provides fingerprint features to identify different types of
objects, such as Gaussian noises, random-phased AC fields, and quantum spins,
which would be indistinguishable in second-order correlations. The measured
fourth-order correlation unambiguously differentiates a single nuclear spin and
a random-phased AC field. This work constitutes an initial step toward the
application of higher-order correlations to quantum sensing, to examining the
quantum foundation (by, e.g., higher-order Leggett-Garg inequality), and to
studying quantum many-body physics.
- Abstract（参考訳）: 非線形分光法は物理系の研究に広く用いられている。
電磁波のような古典的なプローブを用いる従来の非線形光学分光と磁気共鳴分光は、量子系の特定の種類の相関にしかアクセスできない。
量子非線形分光のアイデアは、近交光子のような量子プローブを用いて古典的な限界を超える感度と解像度を達成するために提案された。
量子センシングは、まずセンサーと物体を量子的に絡み込み、次にセンサーを測定することで量子システム内の任意の種類の相関を抽出できることが示されている。
量子センシングは単一原子の核磁気共鳴(nmr)に応用され、スペクトル分解能を高めるために2次相関分光法が採用されている。
しかし、単一核スピンの量子非線形分光(すなわち高次相関の測定)はいまだ解明されていない。
本稿では,従来の非線形分光法では測定できない単一核スピンの4次相関の抽出を,原子量子センサによる逐次弱測定,すなわちダイヤモンド中の窒素空洞中心を用いて示す。
量子非線形分光法は、ガウスノイズ、ランダム位相の交流場、二階相関では区別できない量子スピンなど、異なる種類の物体を識別するための指紋特性を提供する。
測定された4次相関は、1つの核スピンとランダム位相交流場を曖昧に区別する。
この研究は、量子センシングへの高次相関の適用、量子基礎(例えば、高次レゲット=ガーグの不等式)の調査、および量子多体物理学の研究への最初のステップを構成する。
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