論文の概要: Readout of a solid state spin ensemble at the projection noise limit
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.11854v1
- Date: Mon, 15 Sep 2025 12:32:13 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-16 17:26:23.276559
- Title: Readout of a solid state spin ensemble at the projection noise limit
- Title（参考訳）: 投射騒音限界における固体スピンアンサンブルの読み出し
- Authors: Rouven Maier, Cheng-I Ho, Andrej Denisenko, Marina Davydova, Peter Knittel, Jörg Wrachtrup, Vadim Vorobyov,
- Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔中心のメソスコピックアンサンブルの直接的、量子的非破壊的読み出しを示す。
高磁場下で14ドルNの核スピン浴を安定化することにより、熱射影ノイズレベル以下で3.8dBのノイズ低減を実現する。
本研究は、固体量子センサの実用的なツールとして、投射雑音制限読み出し法を確立した。
- 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: Spin ensembles are central to quantum science, from frequency standards and fundamental physics searches to magnetic resonance spectroscopy and quantum sensing. Their performance is ultimately constrained by spin projection noise, yet solid-state implementations have so far been limited by much larger photon shot noise. Here we demonstrate a direct, quantum non-demolition readout of a mesoscopic ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond that surpasses the photon shot-noise limit and approaches the intrinsic spin projection noise. By stabilizing the $^{14}$N nuclear spin bath at high magnetic fields and employing repetitive nuclear-assisted spin readout, we achieve a noise reduction of 3.8 dB below the thermal projection noise level. This enables direct access to the intrinsic fluctuations of the spin ensemble, allowing us to directly observe the signatures of correlated spin states. Our results establish projection noise-limited readout as a practical tool for solid-state quantum sensors, opening pathways to quantum-enhanced metrology, direct detection of many-body correlations, and the implementation of spin squeezing in mesoscopic solid-state ensembles.
- Abstract（参考訳）: スピンアンサンブルは、周波数標準や基礎物理学の探索から磁気共鳴分光法や量子センシングまで、量子科学の中心である。
その性能は最終的にスピンプロジェクションノイズによって制約されるが、ソリッドステートの実装はこれまでにずっと大きな光子ショットノイズによって制限されてきた。
ここでは、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のメソスコピックなアンサンブルが、光子ショットノイズ限界を超え、固有スピンプロジェクションノイズに近づき、直接的、量子的非破壊的な読み出しを示す。
高磁場下での$^{14}$N核スピン浴の安定化と、繰り返し核支援型スピンリードアウトを用いることで、熱プロジェクションノイズレベル以下で3.8dBのノイズ低減を実現する。
これによりスピンアンサンブルの内在的揺らぎに直接アクセスすることができ、相関するスピン状態のシグネチャを直接観察することができる。
本研究は, 固体量子センサ, 量子化メロジへの開口経路, 多体相関の直接検出, メソスコピック固体アンサンブルにおけるスピンスクイーズの実現のための実用的なツールとして, 投射雑音制限読み出し法を確立した。
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