論文の概要: On the optimality of the radical-pair quantum compass
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.02923v1
- Date: Fri, 5 Jan 2024 18:01:47 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-01-08 14:26:51.504997
- Title: On the optimality of the radical-pair quantum compass
- Title（参考訳）: ラジカル対量子コンパスの最適性について
- Authors: Luke D. Smith, Jonas Glatthard, Farhan T. Chowdhury, Daniel R. Kattnig
- Abstract要約: ラジカル対スピンダイナミクスによる地磁気方向推定の限界について検討する。
我々は、現実的な複雑さのスピンモデルにおける量子フィッシャー情報と関連するCram'er--Raoバウンドを探索する。
全体として、この比較は、最適性を実現するために自然によって導かれるプロセスに関する洞察を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum sensing enables the ultimate precision attainable in parameter
estimation. Circumstantial evidence suggests that certain organisms, most
notably migratory songbirds, also harness quantum-enhanced magnetic field
sensing via a radical-pair-based chemical compass for the precise detection of
the weak geomagnetic field. However, what underpins the acuity of such a
compass operating in a noisy biological setting, at physiological temperatures,
remains an open question. Here, we address the fundamental limits of inferring
geomagnetic field directions from radical-pair spin dynamics. Specifically, we
compare the compass precision, as derived from the directional dependence of
the radical-pair recombination yield, to the ultimate precision potentially
realisable by a quantum measurement on the spin system under steady-state
conditions. To this end, we probe the quantum Fisher information and associated
Cram\'er--Rao bound in spin models of realistic complexity, accounting for
complex inter-radical interactions, a multitude of hyperfine couplings, and
asymmetric recombination kinetics, as characteristic for the magnetosensory
protein cryptochrome. We compare several models implicated in cryptochrome
magnetoreception and unveil their optimality through the precision of
measurements ostensibly accessible to nature. Overall, the comparison provides
insight into processes honed by nature to realise optimality whilst constrained
to operating with mere reaction yields. Generally, the inference of compass
orientation from recombination yields approaches optimality in the limits of
complexity, yet plateaus short of the theoretical optimal precision bounds by
up to one or two orders of magnitude, thus underscoring the potential for
improving on design principles inherent to natural systems.
- Abstract（参考訳）: 量子センシングにより、パラメータ推定において最終的な精度が得られる。
状況証拠は、特定の生物、特に渡り鳥は、弱い地磁気の正確な検出のために、ラジカルペアベースの化学コンパスを介して量子エンハンシングされた磁場センシングを利用することを示唆している。
しかし、そのような羅針盤が、生理的な温度で、うるさい生物学的な環境で動作していることは、まだ明らかな疑問である。
本稿では,ラジカルペアスピンダイナミクスから地磁気方向を推定する基本的な限界について述べる。
具体的には, 定常状態下でのスピン系の量子測定によって実現可能な究極の精度と, ラジカルペア再結合収率の方向依存性から導出されるコンパス精度を比較した。
この目的のために, 量子フィッシャー情報と関連するCram\'er--Rao境界を, 複雑なラジカル間相互作用, 多数の超微細結合, および非対称組換え運動学を, 磁化タンパク質クロマトクロームの特徴として考慮し, 現実的複雑性のスピンモデルで探索する。
クリプトクロム磁気受容に関わる複数のモデルを比較し,その最適性を明らかにする。
概して、この比較は、ただの反応収率で操作に制約されながら、最適性を実現するために自然に磨かれたプロセスに対する洞察を与える。
一般に、組み換えによるコンパス配向の推論は、複雑性の限界において最適性にアプローチするが、理論上の最適精度境界を最大で1～2桁まで下回っているため、自然システムに固有の設計原理を改善する可能性を示している。
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