論文の概要: Exponentially-enhanced Weak-field Sensing with Quantum Stark Localization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.17262v1
• Date: Sun, 19 Apr 2026 05:15:35 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-28 13:38:44.485193
• Title: Exponentially-enhanced Weak-field Sensing with Quantum Stark Localization
• Title（参考訳）: 量子スターク局在を用いた指数拡大弱場センシング
• Authors: Rozhin Yousefjani, Saif Al-Kuwari,
• Abstract要約: スターク局在型量子プローブは、最近、エンコードされたスーパーポリノミカルスケーリングによる量子増幅弱場センシングを可能にすることが示されている。 フィールドの空間的地理は、この利点を真の指数関数的スケーリングに高めることができることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Stark-localized quantum probes have recently been shown to enable quantum-enhanced weak-field sensing with polynomial or super-polynomial scaling. In this paper, we show that the spatial geography of the encoded field can elevate this advantage to a genuine exponential scaling. We study a one-dimensional Stark probe subject to an exponential gradient profile, \(V_j=e^{aj}\), and analyze its metrological performance in both equilibrium and non-equilibrium regimes, for single-particle and interacting many-body settings. In the equilibrium single-particle case, we derive an analytical lower bound showing that the quantum Fisher information grows exponentially with system size, and confirm numerically that this enhancement persists throughout the extended phase and at the localization transition. We further show that the same exponential scaling survives for mid-spectrum eigenstates and in the interacting many-body regime. This advantage remains intact under a fair resource analysis because the relevant preparation gap closes only algebraically, so the polynomial preparation overhead cannot offset the exponential gain in sensitivity. In the non-equilibrium regime, a simple product-state initialization followed by free evolution already retains exponential enhancement, eliminating the need for cooling, adiabatic preparation, or operation within a narrowly tuned sensing window. Finally, we outline a superconducting implementation based on flux-tunable transmon qubits with graded mutual inductive coupling to a common sensing bus. Our results identify exponentially graded Stark potentials as a distinct and experimentally plausible route to weak-field sensing with exponentially improving precision.
• Abstract（参考訳）: スターク局在型量子プローブは、最近、多項式や超ポリノミカルスケーリングを用いた量子強化弱場センシングを可能にすることが示されている。 本稿では、符号化されたフィールドの空間的地理が、この利点を真の指数関数的スケーリングに高めることができることを示す。 指数勾配プロファイルである \(V_j=e^{aj}\) を1次元のスタークプローブで検討し, 平衡状態と非平衡状態の両方において, 単一粒子に対して, 相互作用する多体配置において, メトロジー特性を解析した。 平衡単粒子の場合、量子フィッシャー情報がシステムサイズとともに指数関数的に増大することを示す解析的下界を導出し、この拡張が拡張相と局所化遷移の間続くことを数値的に確認する。 さらに、この指数関数的スケーリングは、中間スペクトル固有状態と相互作用する多体状態において生き残ることを示す。 この利点は、関連する準備ギャップが代数的にのみ閉じるため、公平な資源分析の下でもそのままであり、多項式作成オーバーヘッドは指数的な感度向上を相殺できない。 非平衡状態では、単純な生成物-状態の初期化とそれに続く自由進化は指数関数的な拡張を保ち、冷却、断熱処理、狭めに調整された感知窓内での操作の必要性を排除している。 最後に, フラックス可変トランスモン量子ビットをベースとした超伝導実装について概説する。 本研究は,指数関数的に傾斜したスターク電位を,指数関数的に精度を向上した弱場センシングへの明確な,実験的に妥当な経路として同定した。

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