論文の概要: Trade-off relation between integrated metrological gain and local dissipation in magnetic-field sensing by quantum spin ensemble

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.21661v1
• Date: Thu, 25 Dec 2025 13:02:20 GMT
• ステータス: 情報取得中
• システム内更新日: 2025-12-29 12:02:44.190434
• Title: Trade-off relation between integrated metrological gain and local dissipation in magnetic-field sensing by quantum spin ensemble
• Title（参考訳）: 量子スピンアンサンブルによる磁場センシングにおける積分メロジカルゲインと局所散逸のトレードオフ関係
• Authors: Nozomu Takahashi, Le Bin Ho, Hiroaki Matsueda,
• Abstract要約: 本研究では, スピンアンサンブルを用いた強磁場センサの性能評価を行った。 種々の初期状態の準備を解析し, 散逸の存在下での量子エンタングルメントの役割を明らかにする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Quantum metrology plays a central role in precision sensing, where quantum enhancement of detection performance is crucial for both fundamental studies and practical applications. In this work, we derive a tight performance bound for magnetic-field sensing with a spin ensemble in the presence of dissipation. The metrological performance is quantified by the integrated metrological gain (IMG), which explicitly incorporates the time evolution of the measurement apparatus. By combining the Lindblad master equation with the quantum Fisher information, we obtain analytically exact trade-off relations between the IMG and the dissipation rate for local dephasing and local emission processes, showing that the gain scales inversely with the dissipation strength. This trade-off complements the Heisenberg limit, which addresses only the scaling with the number of spins and neglects dissipative dynamics. We analyze various initial state preparations and elucidate the role of quantum entanglement in the presence of dissipation. Notably, while entanglement is essential for achieving Heisenberg scaling at short times, it also accelerates dissipative degradation during time evolution. Consequently, for sufficiently long observation times, comparable metrological performance can be achieved even without entanglement.
• Abstract（参考訳）: 量子気象学は精密センシングにおいて中心的な役割を担い、検出性能の量子化は基礎研究と実用化の両方に不可欠である。 本研究は, スピンアンサンブルを用いた強磁場センシングにおいて, 消散の存在下での密着性能を導出する。 測定器の時間的進化を明示する統合メトロジーゲイン(IMG)により、メトロジー性能を定量化する。 リンドブラッドマスター方程式を量子フィッシャー情報と組み合わせることで、局所的嫌悪および局所的排出過程におけるICGと散逸率の関係を解析的に正確に把握し、利得が散逸強度と逆スケールすることを示す。 このトレードオフは、スピンの数だけを扱うハイゼンベルク極限を補完し、散逸力学を無視する。 種々の初期状態の準備を解析し, 散逸の存在下での量子エンタングルメントの役割を明らかにする。 特に、ハイゼンベルクのスケーリングを短時間で達成するためには絡み合いが不可欠であるが、時間進化中の散逸劣化を加速させる。 これにより、十分に長い観測時間において、絡み合わなくても同等の気象性能が得られる。

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