論文の概要: Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.12533v1
- Date: Wed, 16 Apr 2025 23:52:27 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-18 14:35:35.762126
- Title: Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource
- Title（参考訳）: 絡み合いを資源としたマルチキュービットナノスケールセンシング
- Authors: Jared Rovny, Shimon Kolkowitz, Nathalie P. de Leon,
- Abstract要約: 我々は,光学的に未解決なNV中心対と核スピンを,相関ノイズを測定するためのマルチキュービットセンサとして使用するプロトコルについて述べる。
長さ10nmのスケールでは、2つのNV中心を双極子-双対結合することでベル状態が最大に絡み合う。
これにより、読み出しノイズによるスケーリング感度が2次から線形に変化する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.18620245012314962
- License:
- Abstract: Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond are widely deployed as local magnetic sensors, using coherent, single qubit control to measure both time-averaged fields and noise with nanoscale spatial resolution. Moving beyond single qubits to multi-qubit control enables new sensing modalities such as measuring nonlocal spatiotemporal correlators, or using entangled states to improve measurement sensitivity. Here, we describe protocols to use optically unresolved NV center pairs and nuclear spins as multi-qubit sensors for measuring correlated noise, enabling covariance magnetometry at nanometer length scales. For NV centers that are optically unresolved but have spectrally resolved spin transitions, we implement a phase-cycling protocol that disambiguates magnetic correlations from variance fluctuations by alternating the relative spin orientations of the two NV centers. For NV centers that are both optically and spectrally unresolved, we leverage the presence of a third qubit, a 13C nucleus that is strongly coupled to one of the NV centers, to effect coherent single-NV spin flips and enable a similar phase-cycling protocol. For length scales around 10 nm, we create maximally entangled Bell states through dipole-dipole coupling between two NV centers, and use these entangled states to directly read out the magnetic field correlation, rather than reconstructing it from independent measurements of unentangled NV centers. Importantly, this changes the scaling of sensitivity with readout noise from quadratic to linear. For conventional off-resonant readout of the NV center spin state (for which the readout noise is roughly 30 times the quantum projection limit), this results in a dramatic sensitivity improvement. Finally, we demonstrate methods for the detection of high spatial- and temporal-resolution correlators with pairs of strongly interacting NV centers.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は局所磁気センサとして広く展開され、コヒーレントな単一量子ビット制御を用いて時間平均場とナノスケールの空間分解能でノイズを測定する。
単一キュービットからマルチキュービット制御に移行することで、非局所的時空間相関器の測定や、絡み合った状態を用いて測定感度を向上させるなど、新たなセンシングモードが可能になる。
本稿では,光学的に未解決なNV中心対と核スピンを相関ノイズを測定するためのマルチキュービットセンサとして用いるプロトコルについて述べる。
光学的に未解決だがスペクトル的に解決されたスピン遷移を持つNV中心に対しては、2つのNV中心の相対スピン配向を交互に変化させることにより、変動変動から磁気的相関を曖昧にする位相サイクルプロトコルを実装した。
光学的にもスペクトル的にも未解決なNV中心では、NV中心の1つに強く結合された13C核である第3量子ビットの存在を利用して、コヒーレントな単一NVスピンフリップを発生させ、同様の位相サイクルプロトコルを実現する。
長さ10nm程度では、2つのNV中心間の双極子-双極子結合によってベル状態が最大に絡み合わされ、この絡み合わされた状態を用いて磁場相関を直接読み取る。
重要なことに、これは読み出し雑音による感度のスケーリングを2次から線形に変化させる。
従来のNV中心スピン状態(読み出しノイズが量子投射限界の約30倍)の非共鳴的な読み出しは、劇的な感度改善をもたらす。
最後に,強い相互作用を持つNV中心の対を持つ高空間分解能・時間分解能相関器の検出方法を示す。
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