論文の概要: Toward 48 dB Spin Squeezing and 96 dB Signal Magnification for Cosmic Relic Searches with Nuclear Spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.20520v1
• Date: Thu, 28 Aug 2025 08:01:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-29 18:12:02.179553
• Title: Toward 48 dB Spin Squeezing and 96 dB Signal Magnification for Cosmic Relic Searches with Nuclear Spins
• Title（参考訳）: 核スピンを用いた宇宙遺物探索のための48dBスピンスクイーズと96dB信号拡大に向けて
• Authors: Marios Galanis, Onur Hosten, Asimina Arvanitaki, Savas Dimopoulos,
• Abstract要約: 量子光学の概念が超伝導回路に結合した核スピンにどのように適応できるかを示す。 プロトコルは、アクシオンとダークフォトンダークマターの探索を著しく加速し、既存のアクシオン実験の到達範囲を拡大する可能性がある。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We recently showed that macroscopic nuclear spin ensembles prepared in coherent spin states can dramatically enhance the interaction rates of weakly interacting cosmic relics-such as dark matter and the cosmic neutrino background-through collective quantum effects analogous to Dicke superradiance, where the de-excitation and excitation rates scale as the square of the number of spins, $N^2$. We thus coined these processes superradiant interactions. In this paper, we propose a protocol to realize this enhancement and boost the discovery potential for such relics. We show how concepts from quantum optics can be adapted to nuclear spins coupled to superconducting circuits, enabling high-sensitivity systems. The spins are first initialized into a coherent spin state via a $\pi/2$ Rabi pulse from the ground state. When the circuit is sufficiently detuned from resonance, the spin-circuit interaction implements a squeezing Hamiltonian. Because squeezing must outpace spin relaxation and dephasing, the protocol favors macroscopic ensembles and high-quality superconducting circuits. During this squeezing phase, the standard quantum variance is reduced by up to 4.8 orders of magnitude-equivalent to 48 dB of squeezing-for circuits with quality factors $Q \sim 10^8$-$10^9$. The signal imprinted on the spins during the squeezing protocol can be magnified by further utilizing the squeezing interactions, easing the requirement for shot-noise-limited readout. This protocol has the potential to significantly accelerate axion and dark photon dark matter searches and extend the reach of existing axion experiments to probe QCD axion-nuclear spin couplings. More broadly, it paves the way for detecting coherent inelastic interactions from other cosmic relics-most notably the cosmic neutrino background-and establishes nuclear-spin-based systems as a new class of quantum, ultra-low-threshold detectors.
• Abstract（参考訳）: 最近我々は、コヒーレントスピン状態で調製されたマクロな核スピンアンサンブルが、ダークマターや宇宙ニュートリノの背景を通した暗黒物質のような弱い相互作用を持つ宇宙遺物の相互作用速度を劇的に向上させることができることを示した。 したがって、これらのプロセスは超ラジアント相互作用を生み出した。 本稿では,このような遺物の発見可能性を高めるためのプロトコルを提案する。 量子光学の概念が超伝導回路に結合した核スピンにどのように適応し、高感度システムを実現するかを示す。 スピンはまず基底状態から$\pi/2$ Rabiパルスによってコヒーレントスピン状態に初期化される。 回路が共鳴から十分に切り離されているとき、スピン-回路相互作用はスキューズするハミルトニアンを実装している。 スクイージングはスピン緩和やデフォーカスよりも優れているため、このプロトコルはマクロなアンサンブルと高品質の超伝導回路を好んでいる。 このスクイージングフェーズでは、標準量子分散は最大4.8桁まで減少し、品質係数が$Q \sim 10^8$-$10^9$のスクイージング回路の48dBまで減少する。 スクイーズプロトコル中にスピンに印字された信号は、スクイーズ相互作用をさらに活用して拡大することができ、ショットノイズ制限の読み出し要求を緩和することができる。 このプロトコルは、アクチオンとダークフォトンダークマターの探索を著しく加速し、既存のアクチオン実験の到達範囲を拡張して、QCDアクチオン核スピンカップリングを探索する可能性がある。 より広義には、他の宇宙遺物からコヒーレントな非弾性相互作用を検出する方法(特に宇宙ニュートリノの背景)を舗装し、新しい量子、超低閾値検出器として核スピン系を確立する。

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