論文の概要: Configuration-dependent precision in magnetometry and thermometry using multi-qubit quantum sensors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.22395v1
- Date: Wed, 28 May 2025 14:23:51 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-29 20:07:45.812402
- Title: Configuration-dependent precision in magnetometry and thermometry using multi-qubit quantum sensors
- Title（参考訳）: マルチキュービット量子センサを用いた磁気計測と温度測定における構成依存性の精度
- Authors: Asghar Ullah, Özgür E. Müstecaplıoğlu, Matteo G. A. Paris,
- Abstract要約: 本研究では,4つの量子ビットからなる量子センサの性能について検討した。
強磁性カップリングでは、弱連結グラフ(例えば、連鎖グラフ、P_4)は弱磁場の推定において最適に作用するが、高連結グラフ(例えば、完全グラフ、K_4)は強磁場で励起される。
我々は、小さな摂動下でのエネルギースペクトルの変形を定量化するスペクトル感度測定法を導入し、磁気学的性能を最適化するツールを提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We study the performance of quantum sensors composed of four qubits arranged in different geometries for magnetometry and thermometry. The qubits interact via the transverse-field Ising model with both ferromagnetic and antiferromagnetic couplings, maintained in thermal equilibrium with a heat bath under an external magnetic field. Using quantum Fisher information (QFI), we evaluate the metrological precision of these sensors. For ferromagnetic couplings, weakly connected graphs (e.g., the chain graph, P_4) perform optimally in estimating weak magnetic fields, whereas highly connected graphs (e.g., the complete graph, K_4) excel at strong fields. Conversely, K_4 achieves the highest sensitivity for temperature estimation in the weak-field regime. In the antiferromagnetic case, we uncover a fundamental trade-off dictated by spectral degeneracy: configurations with non-degenerate energy spectra - such as the pan-like graph (three qubits in a triangle with the fourth attached) - exhibit strong magnetic field sensitivity due to their pronounced response to perturbations. In contrast, symmetric structures like the square graph, featuring degenerate energy levels (particularly ground-state degeneracy), are better suited for precise thermometry. Notably, our four-qubit sensors achieve peak precision in the low-temperature, weak-field regime. Finally, we introduce a spectral sensitivity measure that quantifies energy spectrum deformations under small perturbations, offering a tool to optimize magnetometric performance.
- Abstract（参考訳）: 本研究では,4つの量子ビットからなる量子センサの性能について検討した。
量子ビットは横磁場イジングモデルを介して強磁性および反強磁性のカップリングと相互作用し、外磁場下での熱浴と熱平衡を維持する。
量子フィッシャー情報(QFI)を用いて,これらのセンサの計測精度を評価する。
強磁性カップリングでは、弱連結グラフ(eg, 連鎖グラフ, P_4)は弱磁場の推定において最適に作用するが、強磁場では高連結グラフ(eg, 完全グラフ, K_4)が励起する。
逆に、K_4は弱電界状態における温度推定の感度が最も高い。
反強磁性の場合、スペクトル縮退によって規定される基本的なトレードオフを明らかにする: パン状グラフ(四つの四角形を持つ三角形の3ビット)のような非退化エネルギースペクトルを持つ構成は、摂動に対する顕著な応答により強い磁場感度を示す。
対照的に、縮退したエネルギーレベル(特に基底状態の縮退)を特徴とする正方形グラフのような対称構造は、正確な温度測定に適している。
特に、我々の4量子センサーは低温、弱磁場状態においてピーク精度を達成する。
最後に、小さな摂動下でのエネルギースペクトルの変形を定量化するスペクトル感度測定法を導入し、磁気特性を最適化するツールを提供する。
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