論文の概要: Quantum algorithms to detect ODMR-active defects for quantum sensing applications

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.13281v1
• Date: Mon, 18 Aug 2025 18:00:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-20 15:36:31.696051
• Title: Quantum algorithms to detect ODMR-active defects for quantum sensing applications
• Title（参考訳）: 量子センシング応用のためのODMR能動欠陥検出のための量子アルゴリズム
• Authors: Pablo A. M. Casares, Yanbing Zhou, Utkarsh Azad, Stepan Fomichev, Jack S. Baker, Chen Ling, Debasish Banerjee, Alain Delgado, Juan Miguel Arrazola,
• Abstract要約: 本稿では、2つの量子アルゴリズムを用いて三重項-四重項間交差速度の不均衡を検出する。 我々は、ICCレートの不均衡を105個の論理量子ビットと2.2倍の108ドルのトフォリゲートで検出できることを示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.574603767529566
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Spin defects in two-dimensional materials are a promising platform for quantum sensing. Simulating the defect's optical response and optically detected magnetic resonance (ODMR) contrast is key to identifying suitable candidates. However, existing simulation methods are typically unable to supply the required accuracy. Here, we propose two quantum algorithms to detect an imbalance in the triplet-to-singlet intersystem crossing (ISC) rates between excited states with the same and different spin projections -- a necessary condition for nonzero ODMR response. The lowest-cost approach evaluates whether the evolution of an $S=0$ state under the spin-orbit coupling induces ISC to $S=1$, and also whether there is an imbalance in its intensity depending on the final state spin projection. The second approach works by comparing the emission spectrum of a spin defect with and without the spin-orbit coupling operator, inferring ISC intensity for different spin transition channels from spectrum intensity changes. Additionally, we present an improved scheme to evaluate the defect's optical response, building upon previous work. We study these quantum algorithms in the context of the negatively charged boron vacancy in hexagonal boron nitride. We generate an embedded active space of 18 spatial orbitals using quantum defect embedding theory (QDET) and show that the ISC rate imbalance can be detected with as few as 105 logical qubits and $2.2 \times 10^8$ Toffoli gates. By avoiding direct and costly rate calculations, our methods enable faster screening of candidate defects for ODMR activity, advancing the prospect of using quantum simulations to aid the development of high-performing sensing devices.
• Abstract（参考訳）: 二次元材料中のスピン欠陥は量子センシングのための有望なプラットフォームである。 欠陥の光学的応答と光学的に検出された磁気共鳴(ODMR)コントラストのシミュレーションは、適切な候補を特定するための鍵となる。 しかし、既存のシミュレーション手法では、要求された精度を供給できないのが普通である。 ここでは,2つの量子アルゴリズムを用いて,励起状態と異なるスピンプロジェクション間の三重対特異系間交差(ISC)速度の不均衡を検出する。 最低コストのアプローチは、スピン軌道カップリングの下での$S=0$状態の進化がISCを$S=1$に誘導するかどうか、および最終状態スピンプロジェクションによってその強度が不均衡であるかどうかを評価する。 第二のアプローチはスピン欠陥の放出スペクトルとスピン軌道結合作用素とを比較し、スペクトル強度の変化から異なるスピン遷移チャネルに対してISC強度を推定する。 さらに, 先行研究に基づいて, 欠陥の光学応答を評価するための改良手法を提案する。 これらの量子アルゴリズムは、六方晶窒化ホウ素の負電荷のホウ素空孔の文脈で研究する。 量子欠陥埋め込み理論(QDET)を用いて18個の空間軌道の埋め込み能動空間を生成し,105個の論理量子ビットと2.2個の時間10^8$トフォリゲートでICC速度の不均衡を検出することを示した。 直接的かつ費用対効果の計算を避けることにより,ODMR活動の候補欠陥の高速なスクリーニングが可能となり,量子シミュレーションによる高性能センシングデバイスの開発が期待できる。

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