論文の概要: Manifestation of critical effects in environmental parameter estimation using a quantum sensor under dynamical control

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.08355v1
• Date: Fri, 11 Apr 2025 08:42:29 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-21 20:39:53.837777
• Title: Manifestation of critical effects in environmental parameter estimation using a quantum sensor under dynamical control
• Title（参考訳）: 動的制御下での量子センサを用いた環境パラメータ推定における臨界効果の検討
• Authors: M. Cristina Rodriguez, Analia Zwick, Gonzalo A. Alvarez,
• Abstract要約: 環境記憶時間$tau_c$の推定における臨界行動の出現について検討する。 本研究は,量子パラメータ推定の精度向上を目的とした適応制御戦略の道を開くものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum probes offer a powerful platform for exploring environmental dynamics, particularly through their sensitivity to decoherence processes. In this work, we investigate the emergence of critical behavior in the estimation of the environmental memory time $\tau_c$, modeled as an Ornstein-Uhlenbeck process characterized by a Lorentzian spectral density. Using dynamically controlled qubit-based sensors -- realized experimentally via solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and supported by numerical simulations -- we implement tailored filter functions to interrogate the environmental noise spectrum and extract $\tau_c$ from its spectral width. Our results reveal a sharp transition in estimation performance between short-memory (SM) and long-memory (LM) regimes, reflected in a non-monotonic estimation error that resembles a phase transition. This behavior is accompanied by an avoided-crossing-like structure in the estimated parameter space, indicative of two competing solutions near the critical point. These features underscore the interplay between control, decoherence, and inference in open quantum systems. Beyond their fundamental significance, these critical phenomena offer a practical diagnostic tool for identifying dynamical regimes and optimizing quantum sensing protocols. By exploiting this criticality, our findings pave the way for adaptive control strategies aimed at enhancing precision in quantum parameter estimation -- particularly in complex or structured environments such as spin networks, diffusive media, and quantum materials.
• Abstract（参考訳）: 量子プローブは、特にデコヒーレンスプロセスに対する感度を通じて、環境力学を探索するための強力なプラットフォームを提供する。 本研究では,ローレンツスペクトル密度を特徴とするOrnstein-Uhlenbeckプロセスとしてモデル化された環境記憶時間$\tau_c$の推定における臨界挙動の出現について検討する。 動的に制御された量子ビット型センサ(固体核磁気共鳴(NMR)により実験的に実現され、数値シミュレーションによって支援される)を用いて、環境騒音スペクトルを問うために調整されたフィルタ機能を実装し、スペクトル幅から$\tau_c$を抽出する。 その結果,位相遷移に類似した非単調な推定誤差を反映した,短メモリ(SM)と長メモリ(LM)の予測性能の急激な遷移が明らかとなった。 この挙動は、推定パラメータ空間における回避交差のような構造を伴い、臨界点付近で競合する2つの解を示す。 これらの特徴は、オープン量子系における制御、デコヒーレンス、推論の間の相互作用を強調する。 これらの重要な現象は、基本的な重要性の他に、動的レシエーションを識別し、量子センシングプロトコルを最適化するための実用的な診断ツールを提供する。 この臨界を利用して、我々の研究結果は、特にスピンネットワーク、拡散媒質、量子材料のような複雑なまたは構造化された環境において、量子パラメータ推定の精度を高めることを目的とした適応制御戦略の道を開く。

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