論文の概要: Real-time optimal quantum control for atomic magnetometers with decoherence

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.05265v1
• Date: Thu, 04 Dec 2025 21:38:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-13 22:40:56.817805
• Title: Real-time optimal quantum control for atomic magnetometers with decoherence
• Title（参考訳）: デコヒーレンスをもつ原子磁気センサのリアルタイム最適量子制御
• Authors: Julia Amoros-Binefa,
• Abstract要約: 我々は、最適感度を達成するために、光原子磁気センサに連続量子計測と推定理論を適用した。 感度の基本的な量子制限を導出し、検知時間と原子番号Nとをよく線形にスケールする。 我々の戦略は、心拍のような波形などの生物学的に関係のある信号を追跡でき、原子アンサンブルを絡み合った状態に動かすこともできる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum entanglement, in the form of spin squeezing, is known to improve the sensitivity of atomic sensors to static or slowly varying fields. Sensing transient events presents a distinct challenge, requires different analysis tools, and has not been shown to benefit from entanglement in practically important scenarios such as spin-precession magnetometry. To address this, we apply concepts from continuous quantum measurements and estimation theory to optical atomic magnetometers, aiming to accurately model these devices, interpret their measurement data, control their dynamics, and achieve optimal sensitivity. Quantifying this optimal performance requires determining a fundamental quantum limit on sensitivity. We derive this limit, imposed by noise, and show that it scales at best linearly with sensing time and atom number N, ruling out any super-classical scaling. This limit is independent of the initial state, measurement, estimator, and measurement-based feedback, and depends only on the decoherence model and the strength of field fluctuations. Thus, finding an estimator that attains this bound proves the sensing strategy optimal. To approach this limit, we develop a quantum dynamical model scalable with N, based on a co-moving Gaussian approximation of the stochastic master equation, which includes measurement backaction and decoherence. This enables a real-time estimation and control architecture integrating an extended Kalman filter with a linear quadratic regulator. Simulating the magnetometer with our model and EKF+LQR strategy shows that quantum-limited tracking of constant and fluctuating fields is within reach of current atomic magnetometers. Our sensing strategy can also track biologically relevant signals, such as heartbeat-like waveforms, and drive the atomic ensemble into an entangled state, even when the measurement record is used for feedback but later discarded.
• Abstract（参考訳）: 量子絡み合いはスピンスクイーズという形で、原子センサーの静的またはゆっくりと変化する磁場に対する感度を改善することが知られている。 過渡事象の検知は、異なる分析ツールを必要とし、スピン・プレッション・マグネトメトリーのような事実上重要なシナリオにおける絡み合いの恩恵を受けないことが示されている。 これを解決するために、連続量子計測と推定理論の概念を光学原子磁気センサに適用し、これらのデバイスを正確にモデル化し、測定データを解釈し、そのダイナミクスを制御し、最適な感度を実現する。 この最適性能の定量化には、感度の基本的な量子限界を決定する必要がある。 この制限はノイズによって課せられるもので、知覚時間や原子番号Nとよく線形にスケールし、超古典的なスケーリングを除外していることを示す。 この限界は、初期状態、測定、推定器、測定に基づくフィードバックとは独立であり、デコヒーレンスモデルと場のゆらぎの強さにのみ依存する。 したがって、この境界に達する推定器を見つけることは、知覚戦略を最適に証明する。 この限界に対処するために、測定バックアクションとデコヒーレンスを含む確率的マスター方程式の共動ガウス近似に基づいて、Nでスケーラブルな量子力学モデルを開発する。 これにより、拡張カルマンフィルタと線形二次レギュレータを統合するリアルタイム推定および制御アーキテクチャが実現される。 我々のモデルとEKF+LQR戦略で磁気センサをシミュレートすると、定数と変動する磁場の量子制限追跡が現在の原子磁気センサの範囲内にあることが分かる。 我々のセンシング戦略は、心拍のような波形などの生物学的に関係のある信号を追跡でき、原子アンサンブルを絡み合った状態に駆動することができる。

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