論文の概要: Optimal and efficient inference tools for field tracking with precessing spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.11884v1
• Date: Mon, 13 Oct 2025 19:44:33 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-15 19:02:32.078727
• Title: Optimal and efficient inference tools for field tracking with precessing spins
• Title（参考訳）: プレッシャースピンを用いたフィールドトラッキングのための最適かつ効率的な推論ツール
• Authors: Klaudia Dilcher, Piotr Bania, Diana Mendez-Avalos, Aleksandra Sierant, Morgan W. Mitchell, Jan Kolodynski,
• Abstract要約: スピン前磁力計(スピン前磁力計、英: Spin-precession magnetometer、SPM)は、電子、核、色中心、ミューオンスピンを観測する。 揺らぎや未知の過渡的な信号を正確に追跡することは十分であることを示す。 本手法は非線形散逸ダイナミクスを応用した他のセンサにも容易に適用できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 35.18016233072556
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Precise, real-time monitoring of magnetic field evolution is important in applications including magnetic navigation and searches for physics beyond the standard model. One main field-monitoring technique, the spin-precession magnetometer (SPM), observes electron, nucleus, color center, or muon spins as they precess in response to their local magnetic field. Here, we study Bayesian signal-recovery methods for SPMs in the free-induction decay (FID) mode. In particular, we study tracking of field changes well within the coherence time of the spin system, and thus well beyond the response bandwidth, as in [Phys. Rev. Lett. 120, 040503 (2018)]. We derive the Bayesian Cram\'{e}r-Rao bound that dictates the ultimate precision in estimating the Larmor frequency, which we show to be attained by the computationally-expensive prediction error method (PEM). Relative to this benchmark, we show that the extended Kalman filter (EKF) and cubature Kalman filter (CKF) offer near-optimal tracking that is also computationally efficient, with the use of the latter giving better results only for large spin number. Focusing thus on the EKF, we show that it is sufficient to accurately track fluctuating and unknown transient signals. Our methods can be easily adapted to other types of sensors undergoing non-linear dissipative dynamics and experiencing intrinsic Gaussian-like stochastic noises.
• Abstract（参考訳）: 磁場の精密かつリアルタイムなモニタリングは、磁気ナビゲーションや標準モデルを超えた物理探索などの応用において重要である。 スピン前磁力計(スピン前磁力計、英: spin-precession magnetometer、SPM)は、磁場に応じて電子、核、色中心、ミューオンのスピンを観測する技術である。 本稿では,自由誘導減衰(FID)モードにおけるSPMのベイズ信号回復法について検討する。 特に、スピン系のコヒーレンス時間の範囲内での磁場変化の追跡について、[Phys. Rev. Lett. 120, 040503 (2018)]のように、応答帯域をはるかに超えている。 我々は、ラーモア周波数を推定する際の最終的な精度を規定するベイジアン・クラム\'{e}r-ラオ境界を導出し、計算的拡張予測誤差法(PEM)により達成できることを示す。 このベンチマークに対して、拡張カルマンフィルタ (EKF) とキュキュアカルマンフィルタ (CKF) は、計算効率も良く、後者を用いることで、大きなスピン数に対してのみより良い結果が得られることを示す。 このようにしてEKFに焦点をあてると、揺らぎや未知の過渡的な信号を正確に追跡することは十分である。 提案手法は,非線形散逸力学および固有ガウス的確率雑音を呈する他の種類のセンサに容易に適用することができる。

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