論文の概要: Exceptional sensitivity near the bistable transition point of a hybrid quantum system
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.09691v1
- Date: Sun, 13 Jul 2025 16:02:12 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-15 18:48:23.768043
- Title: Exceptional sensitivity near the bistable transition point of a hybrid quantum system
- Title（参考訳）: ハイブリッド量子系の双安定遷移点近傍の例外感度
- Authors: Hanfeng Wang, Kurt Jacobs, Donald Fahey, Yong Hu, Dirk R. Englund, Matthew E. Trusheim,
- Abstract要約: 位相遷移は、システムダイナミクスを劇的に変化させ、新しい動作を解放し、性能を向上させる。例外点(EP)は、外部の摂動に対するセンサー応答を増大させるため、特にアプリケーション検出に関係している。
ここでは、双安定遷移点(BP)周辺における例外的な信号-雑音比(SNR)の増大を示す非線形性を用いて、この制限を克服する。
この結果は、理想的、熱的に制限された電子磁気センサの感度限界を超え、先進的な量子センシングにおけるEPライクな物理学に関する長年の議論を解決している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.8390219473444447
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Phase transitions can dramatically alter system dynamics, unlocking new behavior and improving performance. Exceptional points (EPs), where the eigenvalues and corresponding eigenvectors of a coupled linear system coalesce, are particularly relevant for sensing applications as they can increase sensor response to external perturbations to a range of phenomena from optical phase shifts to gravitational waves. However, the coalescence of eigenstates at linear EPs amplifies noise, negating the signal-to-noise ratio (SNR) enhancement. Here, we overcome this limitation using nonlinearity, which exhibits exceptional SNR around a bistable transition point (BP). We couple a state-of-the-art diamond quantum sensor to a nonlinear Van der Pol oscillator, forming a self-oscillating hybrid system that exhibits both a single-valued and bistable phase. The boundaries between these phases are marked by both adiabatic and deterministic non-adiabatic transitions that enable chiral state switching and state coalescence at the BP. Crucially, NV magnetometry performed near the BP exhibits a 17x enhancement in SNR, achieving a record sensitivity of 170 fT/\sqrt{Hz}. This result surpasses the sensitivity limit of an ideal, thermally-limited electron magnetometer and resolves a long-standing debate regarding EP-like physics in advanced quantum sensing.
- Abstract（参考訳）: フェーズ遷移は、システムダイナミクスを劇的に変更し、新しい振る舞いをアンロックし、パフォーマンスを改善する。
例外点(EPs)は、結合線形系の固有値と対応する固有ベクトルが結合し、外部摂動に対するセンサ応答を光学位相シフトから重力波まで幅広い現象に高めることができるため、特にセンシング用途に関係している。
しかし、線形EPにおける固有状態の合体はノイズを増幅し、信号-雑音比(SNR)の増大を否定する。
ここでは、不安定な遷移点(BP)の周囲に例外的なSNRを示す非線形性を用いて、この制限を克服する。
我々は、最先端のダイヤモンド量子センサを非線形のVan der Pol発振器に結合し、単値と双安定の両方の位相を示す自己振動ハイブリッドシステムを形成する。
これらの相の境界は、BPにおけるキラル状態の切替と状態の合体を可能にする断熱的および決定論的非断熱的遷移によって特徴づけられる。
BP近傍で行うNV磁気測定はSNRが17倍に向上し、170 fT/\sqrt{Hz}の感度を達成した。
この結果は、理想的、熱的に制限された電子磁気センサの感度限界を超え、先進的な量子センシングにおけるEPライクな物理学に関する長年の議論を解決している。
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