論文の概要: Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.21715v1
- Date: Wed, 30 Apr 2025 14:59:58 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-09 18:09:25.151553
- Title: Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing
- Title（参考訳）: エンタングルメント強化ナノスケール単一スピンセンシング
- Authors: Xu Zhou, Mengqi Wang, Xiangyu Ye, Haoyu Sun, Yuhang Guo, Han Shuo, Zihua Chai, Wentao Ji, Kangwei Xia, Fazhan Shi, Ya Wang, Jiangfeng Du,
- Abstract要約: 単一スピン検出は、凝縮物質物理学、量子化学、単分子磁気共鳴イメージングなど幅広い応用において、量子センシングの基本的な課題である。
絡み合ったNV対を戦略的に利用することにより,これらの制限を克服する絡み付きセンサプロトコルを提案し,実証する。
提案手法は, 環境条件下での単一NV中心に対する感度3.4倍, 空間分解能1.6倍の低減を実現する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 12.783681107108267
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Detecting individual spins--including stable and metastable states--represents a fundamental challenge in quantum sensing with broad applications across condensed matter physics, quantum chemistry, and single-molecule magnetic resonance imaging. While nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have emerged as powerful nanoscale sensors, their performance for single-spin detection remains constrained by substantial environmental noise and restricted sensing volume. Here, we propose and demonstrate an entanglement-enhanced sensing protocol that overcomes these limitations through the strategic use of entangled NV pairs. Our approach achieves a 3.4-fold enhancement in sensitivity and a 1.6-fold reduction in spatial resolution relative to single NV centers under ambient conditions. The protocol employs carefully engineered entangled states that amplify target spin signals through quantum interference while suppressing environmental noise. Crucially, we extend these capabilities to resolve metastable single-spin dynamics, directly observing stochastic transitions between different spin states by identifying state-dependent coupling strengths. This dual functionality enables simultaneous detection of static and dynamic spin species for studying complex quantum systems. The achieved performance establishes entanglement-enhanced sensing as a viable pathway toward atomic-scale characterization of quantum materials and interface.
- Abstract（参考訳）: 安定かつ準安定な状態を含む個々のスピンの検出は、凝縮物質物理学、量子化学、単一分子磁気共鳴イメージングなど幅広い応用で量子センシングの根本的な課題を表現している。
ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は強力なナノスケールセンサーとして登場しているが、その単一スピン検出性能は、かなりの環境ノイズと制限された感知量によって制限されている。
そこで我々は, 絡み合ったNV対を戦略的に利用することで, これらの制限を克服する絡み付きセンサプロトコルを提案し, 実証する。
提案手法は, 環境条件下での単一NV中心に対する感度3.4倍, 空間分解能1.6倍の低減を実現する。
このプロトコルは、環境騒音を抑えながら、量子干渉によってターゲットスピン信号を増幅する、慎重に設計された絡み合った状態を用いる。
重要なことに、これらの能力は準安定な単一スピン力学を解くために拡張され、状態依存結合強度を同定することにより、異なるスピン状態間の確率遷移を直接観察する。
この二重機能は、複雑な量子系を研究するための静的および動的スピン種の同時検出を可能にする。
達成された性能は、量子材料と界面の原子スケールキャラクタリゼーションへの有効な経路として絡み合い強化センシングを確立する。
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