論文の概要: Cavity-enhanced solid-state nuclear spin gyroscope

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.01769v1
• Date: Mon, 03 Feb 2025 19:23:35 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-02-05 14:58:34.736935
• Title: Cavity-enhanced solid-state nuclear spin gyroscope
• Title（参考訳）: キャビティ強化固体核スピンジャイロ
• Authors: Hanfeng Wang, Shuang Wu, Kurt Jacobs, Yuqin Duan, Dirk R. Englund, Matthew E. Trusheim,
• Abstract要約: 核スピンセンサーは慣性センシングのような長いコヒーレンス時間を必要とする用途に適している。 我々は、効率的な核スピンの読み出しを実現するために、協調空洞量子電磁力学(cQED)結合を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.817156051848752
• License:
• Abstract: Solid-state quantum sensors based on ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have emerged as powerful tools for precise sensing applications. Nuclear spin sensors are particularly well-suited for applications requiring long coherence times, such as inertial sensing, but remain underexplored due to control complexity and limited optical readout efficiency. In this work, we propose cooperative cavity quantum electrodynamic (cQED) coupling to achieve efficient nuclear spin readout. Unlike previous cQED methods used to enhance electron spin readout, here we employ two-field interference in the NV hyperfine subspace to directly probe the nuclear spin transitions. We model the nuclear spin NV-cQED system (nNV-cQED) and observe several distinct regimes, including electromagnetically induced transparency, masing without inversion, and oscillatory behavior. We then evaluate the nNV-cQED system as an inertial sensor, indicating a rotation sensitivity improved by three orders of magnitude compared to previous solid-state spin demonstrations. Furthermore, we show that the NV electron spin can be simultaneously used as a comagnetometer, and the four crystallographic axes of NVs can be employed for vector resolution in a single nNV-cQED system. These results showcase the applications of two-field interference using the nNV-cQED platform, providing critical insights into the manipulation and control of quantum states in hybrid NV systems and unlocking new possibilities for high-performance quantum sensing.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のアンサンブルに基づく固体量子センサーは、精密なセンシング応用のための強力なツールとして登場した。 核スピンセンサーは、慣性センシングのような長いコヒーレンス時間を必要とする用途には特に適しているが、制御の複雑さと光学的読み出し効率の制限により、未探索のままである。 本研究では、効率的な核スピンの読み出しを実現するために、協調空洞量子電磁力学(cQED)結合を提案する。 従来のcQED法が電子スピンの読み出しを高めるのと異なり、ここではNV超微細部分空間において2フィールド干渉を用いて核スピン遷移を直接探究する。 我々は、核スピンNV-cQEDシステム(nNV-cQED)をモデル化し、電磁誘導透過性、反転のないマッシング、振動挙動を含むいくつかの異なる状態を観察した。 次に,nNV-cQED系を慣性センサとして評価し,従来の固体スピン実験と比較して3桁の回転感度が向上したことを示す。 さらに、NV電子スピンをコマグネトメーターとして同時に使用することができ、NVの4つの結晶軸を1つのnNV-cQED系におけるベクトル分解能に利用できることを示す。 これらの結果は、nNV-cQEDプラットフォームを用いた2フィールド干渉の適用例を示し、ハイブリッドNVシステムにおける量子状態の操作と制御に関する重要な洞察を提供し、高速な量子センシングの新たな可能性を開く。

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