論文の概要: Dispersive readout of cavity-coupled solid-state sensor with near-unity readout fidelity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.25152v1
• Date: Sun, 24 May 2026 16:15:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-26 19:50:18.860862
• Title: Dispersive readout of cavity-coupled solid-state sensor with near-unity readout fidelity
• Title（参考訳）: ほぼ均一な読み出し率を有する空洞結合固体センサの分散読み出し
• Authors: Hanfeng Wang, Shuang Wu, Matthew E. Trusheim, Avetik Harutyunyan, Dirk R. Englund,
• Abstract要約: 我々は,NVアンサンブルセンシングの基本的限界を克服するために,分散的なcQED読み出し手法を導入する。 その結果, 市販ダイヤモンドNVアンサンブルを用いて, ほぼ均一な逆読み出し率とフェムトテトラレベルの感度を示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.936475003630715
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Solid-state quantum sensors based on ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have emerged as powerful platforms for high-precision metrology. Coupling the NV ensemble to a microwave cavity mode in a cavity quantum electrodynamics (cQED) configuration enables spin readout that surpasses the limitations of conventional optical detection, achieving sub-picotesla magnetic sensitivities. However, existing continuous-wave cQED approaches remain far from the intrinsic spin-projection-noise limit due to spin saturation and power broadening. Here, we introduce a dispersive cQED readout technique to overcome these fundamental limitations in NV ensemble sensing. We develop a comprehensive theoretical framework describing the dispersive interaction and analyze the time-domain dynamics of a strongly-coupled NV-cavity system. Our results indicate near-unity inverse readout fidelity and femtotesla-level sensitivity using a commercially available diamond NV ensemble. Importantly, the dispersive readout exhibits a distinct sensitivity scaling that improves as 1/N with increasing number of spins N, providing a practical pathway toward approaching the standard quantum limit for solid-state spin-ensemble sensors.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のアンサンブルに基づく固体量子センサーは、高精度なメトロジーのための強力なプラットフォームとして出現している。 空洞量子力学(cQED)構成において、NVアンサンブルをマイクロ波空洞モードに結合することで、従来の光学的検出の限界を超えるスピン読み出しを可能にし、サブピコテトラ磁気感度を達成する。 しかし、既存の連続波cQEDアプローチはスピン飽和とパワー拡張のため、内在的なスピン投射ノイズ限界から遠く離れている。 本稿では,NVアンサンブルセンシングの基本的制約を克服するために,分散的なcQED読み出し手法を提案する。 我々は分散相互作用を記述する包括的な理論フレームワークを開発し、強結合型NVキャビティシステムの時間領域ダイナミクスを解析する。 市販のダイヤモンドNVアンサンブルを用いて, ほぼ均一な逆読み出し率とフェムトテトラレベルの感度を示す。 重要なことに、分散された読み出しは、スピン数の増加とともに1/Nとして向上する、異なる感度のスケーリングを示しており、固体スピンアンサンブルセンサーの標準量子限界に近づくための実践的な経路となっている。

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