論文の概要: Digital Twin Simulations Toolbox of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.18759v1
- Date: Thu, 24 Jul 2025 19:22:23 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-28 16:16:48.733071
- Title: Digital Twin Simulations Toolbox of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
- Title（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空洞センターのデジタル双極子シミュレーションツールボックス
- Authors: Lucas Tsunaki, Anmol Singh, Sergei Trofimov, Boris Naydenov,
- Abstract要約: この研究は、一般的な実験条件下でのパルス列における窒素空孔(NV)スピンダイナミクスをシミュレートするPythonソフトウェアを開発した。
このライブラリーは電磁パルスやその他の環境入力を扱い、システムの時間進化力学を解くのに使用される。
全体として、このデジタルツインはNVスピンダイナミクスの堅牢で詳細な数値モデリングを提供し、シンプルでアクセスしやすい使い勝手を持ち、広範囲の応用範囲を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3207573525419435
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Color centers defects in solids, and particularly the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, are crucial physical platforms for quantum technology applications. Therefore, a precise and rigorous numerical modeling of the NV system is indispensable for the continued advancement of the field. Within this context, this work develops a Python software for simulating the NV spin dynamics in pulsed sequences under general experimental conditions, i.e. a digital twin. The library accounts for electromagnetic pulses and other environmental inputs, which are used to solve the system's time-evolution dynamics, resulting in a physical output in the form of a quantum mechanical observable given by the fluorescence. The simulations framework is based on a non-perturbative time-dependent Hamiltonian model, solved in the laboratory frame. Whereby eliminating oversimplifications such as the assumption of instantaneous $\delta$-pulses and rotating wave approximations, our simulations reveal subtle dynamics from the realistic pulse constraints that impact quantum systems. Three use-case examples illustrate the use of the software and validate it by comparing the simulation results with well-established experimental works, relevant to the fields of quantum computing (two-qubit conditional logic gates), sensing (noise resilient dynamical decoupling sequences between NV and couples spins) and networks (teleportation of a quantum state between entangled NVs). Overall, this digital twin delivers a robust and detailed numerical modeling of the NV spin dynamics, with simple and accessible usability, for an extensive application range.
- Abstract（参考訳）: 固体中の色中心欠陥、特にダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は、量子技術応用にとって重要な物理基盤である。
したがって、NVシステムの精密かつ厳密な数値モデリングは、フィールドの継続的な進行には不可欠である。
この文脈の中で、この研究は一般的な実験条件、すなわちデジタルツインの下でパルス列のNVスピンダイナミクスをシミュレートするPythonソフトウェアを開発する。
このライブラリーは電磁パルスやその他の環境入力を記述しており、これはシステムの時間進化力学を解くのに使われ、結果として蛍光によって与えられる量子力学的観測可能な形で物理的に出力される。
シミュレーションフレームワークは、実験室のフレームで解決された非摂動時間依存のハミルトンモデルに基づいている。
即時$\delta$-pulsesの仮定や回転波近似といった過剰な単純化を排除することで、量子システムに影響を与える現実的なパルス制約から微妙なダイナミクスを明らかにすることができる。
3つのユースケースの例は、シミュレーション結果と、量子コンピューティング(2量子条件論理ゲート)、センシング(NVとカップルスピン間のレジリエンスな動的疎結合シーケンス)、ネットワーク(絡み合ったNV間の量子状態の分離)の分野に関する、十分に確立された実験結果を比較することで、ソフトウェアの使用を実証する。
全体として、このデジタルツインはNVスピンダイナミクスの堅牢で詳細な数値モデリングを提供し、シンプルでアクセスしやすい使い勝手を持ち、広範囲の応用範囲を提供する。
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