論文の概要: Dynamic quantum-enhanced sensing without entanglement in central spin systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2205.00292v1
• Date: Sat, 30 Apr 2022 15:24:21 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-15 01:24:02.579201
• Title: Dynamic quantum-enhanced sensing without entanglement in central spin systems
• Title（参考訳）: 中心スピン系における絡み合いのない動的量子エンハンスセンシング
• Authors: Wenkui Ding, Yanxia Liu, Zhenyu Zheng, Shu Chen
• Abstract要約: 中心スピンが周囲のスピンと相互作用する量子多スピン系を提案する。 プローブ状態が製品状態である必要がある間、ハイゼンベルクのスケーリングに到達できることが分かる。 この結果から,現実的な量子中心スピン系において,動的量子強調センシング方式が実現可能であることが示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.9888283697653608
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We propose a dynamic quantum sensing scheme by using a quantum many-spin system composed of a central spin interacting with many surrounding spins. Starting from a generalized Ising ring model, we investigate the error propagation formula of the central spin and it indicates that Heisenberg scaling can be reached while the probe state only needs to be a product state. Particularly, we derive an analytical form of the dynamic quantum Fisher information in a limit case, which explicitly exhibits the Heisenberg scaling. By comparing with numerical results, we demonstrate that the general case can be well approximated by the analytical result when the coupling strength among the surrounding spins is much weaker than the coupling strength between the central and surrounding spins. This analytic result guides us to find the appropriate probe state and the proper measurement time, to achieve the Heisenberg scaling in realistic situations. Furthermore, we investigate various effects which are important in practical quantum systems, including the central spin Zeeman term, the anisotropy of the hyperfine interaction and the inhomogeneity of the hyperfine coupling strength. Our result indicates that the dynamic quantum-enhanced sensing scheme seems feasible in realistic quantum central spin systems, like semiconductor quantum dots.
• Abstract（参考訳）: 本研究では,周辺スピンと相互作用する中心スピンからなる量子多スピン系を用いて,動的量子センシング手法を提案する。 一般化したイジン環モデルから、中心スピンの誤差伝播公式を考察し、プローブ状態が積状態である必要がある間にハイゼンベルクスケーリングに到達することを示す。 特に、動的量子フィッシャー情報のリミットケースにおける解析形式を導出し、ハイゼンベルクのスケーリングを明示的に示す。 計算結果との比較により, 周辺スピン間の結合強度が中心スピンと周辺スピン間の結合強度よりもはるかに弱い場合, 解析結果により一般ケースを十分に近似できることを示した。 この分析結果から,現実的な状況下でのハイゼンベルクスケーリングを実現するために,適切なプローブ状態と適切な測定時間を求めることができる。 さらに, 中心スピンゼーマン項, 超微粒子相互作用の異方性, 超微粒子結合強度の不均一性など, 実用量子システムにおいて重要な様々な効果について検討した。 この結果は,半導体量子ドットのような現実的な量子中心スピンシステムにおいて,動的量子強調センシング方式が実現可能であることを示唆している。

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