論文の概要: Application of Optimal Control to Time-Resolution Protocol for Quantum Sensing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.13405v1
• Date: Mon, 18 Aug 2025 23:54:31 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-20 15:36:31.742905
• Title: Application of Optimal Control to Time-Resolution Protocol for Quantum Sensing
• Title（参考訳）: 量子センシングのための時間分解プロトコルへの最適制御の適用
• Authors: Chungwei Lin, Qi Ding, Yanting Ma,
• Abstract要約: 量子センシングの時間分解能プロトコルは、外界の速い時間変動を測定することを目的としている。 時間分解プロトコルを最適化するために最適制御理論を適用する。 潜在的な応用として、超伝導量子ビットの制御におけるベースバンドフラックスパルス歪みの校正について概説する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.320198313490604
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Time-resolution protocol of quantum sensing aims to measure the fast temporal variation of an external field and demands a high field sensitivity in a short interrogation time $\tau$. Since any operation that evolves the quantum state takes time and is counted as part of the interrogation, evaluating the performance of time-resolution protocol requires a complete end-to-end description of the measurement process. In particular, the initial state has to be one of the sensor qubit's eigenstates in the absence of external fields, and the final projective measurements must be performed in the same eigenstate basis. Building upon prior works which proposed limits for time-resolved sensing using a quantum sensor, we apply optimal control theory to optimize the time-resolution protocol. Our analysis indicates that there exists a critical interrogation time $T^*$: when $\tau<T^*$ the optimal protocol is purely bang-bang; when $\tau>T^*$ the optimal protocol involves a singular control during the interrogation. In the short-$\tau$ regime, which is relevant to high time resolution, we propose a ``detune protocol'' that involves only smooth control during the entire interrogation. As the discontinuities of control pose the main obstacles to experimental realization, we expect the presented detune protocol to be practically useful. In the long-$\tau$ regime, the optimal protocol closely resembles the Ramsey sequence; protocols based on maximizing Quantum Fisher Information are constructed to highlight the difference between the theoretically optimal and practically implementable measurements. Effective use of the time-resolution protocol requires a setup where the unknown time-domain signal of interest can be identically and repeatedly generated. As a potentially relevant application, we outline the calibration of baseband flux pulse distortion in the control of superconducting qubits.
• Abstract（参考訳）: 量子センシングの時間分解能プロトコルは、外界の速い時間変動を測定することを目的としており、短時間の尋問時間$\tau$で高感度を要求する。 量子状態の進化に時間がかかり、尋問の一部として数えられるため、時間分解プロトコルの性能を評価するには、測定プロセスの完全なエンドツーエンドの記述が必要である。 特に、初期状態は外部磁場がないときにセンサーキュービットの固有状態の1つでなければならず、最終的な射影測定は同じ固有状態基底で行う必要がある。 量子センサを用いた時間分解センシングの限界を提案する先行研究に基づいて、時間分解プロトコルの最適化に最適制御理論を適用する。 我々の分析は、決定的な尋問時間 $T^*$ が存在することを示している: $\tau<T^*$ 最適プロトコルは純粋にバンバンである; $\tau>T^*$ 最適プロトコルは、尋問中に特異な制御を含む。 短時間の$\tau$レジームでは、高速な解決に関係し、尋問全体のスムーズな制御のみを含む 'detune Protocol'' を提案する。 制御の不連続性が実験的な実現の障害となるため,提案したデチューンプロトコルは実用的に有用であると期待する。 量子フィッシャー情報の最大化に基づくプロトコルは、理論上最適と実用上実装可能な測定値の違いを強調するために構築されている。 時間分解プロトコルの効果的な利用には、未知の時間領域信号が同一かつ繰り返し生成可能なセットアップが必要である。 潜在的な応用として、超伝導量子ビットの制御におけるベースバンドフラックスパルス歪みの校正について概説する。

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