論文の概要: Quantum-hardware spectral co-design framework for multifrequency Rydberg electrometry

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.11635v1
• Date: Thu, 10 Sep 2026 14:44:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-11 23:53:35.403147
• Title: Quantum-hardware spectral co-design framework for multifrequency Rydberg electrometry
• Title（参考訳）: 多周波Rydberg電気測定のための量子ハードウエアスペクトル共設計フレームワーク
• Abstract要約: 4つの高いQ$固有モードと4つの選択されたCs Rydberg遷移を同時に一致させる新しいマルチモード電気メトリアーキテクチャを提案する。 この設計は製造の不完全性に対して非常に堅牢であり、相対周波数誤差を8.42times10-7$に抑えつつ、デバイスの長さを1.75times102$に下げる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 36.504161043901966
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Engineering electromagnetic hardware to satisfy discrete quantum-defined spectral constraints constitutes a general spectral co-design problem for quantum systems. Here we address this challenge in multifrequency Rydberg electrometry by directly coupling a fabrication-constrained simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA)--Adam optimizer to full-wave finite-element eigenmode simulations. Requiring neither analytical nor adjoint gradients, the method operates over a discrete design space containing approximately $10^{300}$-configurations and yields a novel multimode electrometry architecture that simultaneously aligns four high-$Q$ eigenmodes with four selected Cs Rydberg transitions. The optimized design remains highly robust to fabrication imperfections, achieving a relative frequency error as low as $8.42\times10^{-7}$ while reducing the device length by a factor of $1.75\times10^{2}$, thereby overcoming the difficulty of simultaneous multimode spectral matching encountered in conventional design. For a comparable simulation budget, the proposed co-design framework achieves frequency-matching errors approximately 10 and 41 times smaller than those of covariance matrix adaptation evolution strategy and discrete simulated annealing, respectively. The electrometry is predicted to provide an average input-power-sensitivity enhancement of approximately $4.04\times10^{3}$, demonstrating quantum--hardware spectral co-design as a general route toward compact hardware for multichannel quantum sensing.
• Abstract（参考訳）: 離散量子定義スペクトル制約を満たすための工学的電磁ハードウェアは、量子系の一般的なスペクトル共設計問題を構成する。 本稿では,多周波Rydbergエレクトロメトリにおいて,有限要素固有モードシミュレーションへのAdamオプティマイザの直接結合により,この課題に対処する。 解析的勾配も随伴勾配も必要とせず、約10^{300}$-構成を含む離散設計空間上で動作し、4つの高Q$固有モードと4つの選択されたCs Rydberg遷移を同時に整列する新しいマルチモード電気測定アーキテクチャを得る。 最適化された設計は製造の不完全性に強く耐えられ、相対周波数誤差を8.42\times10^{-7}$に抑えつつ、デバイス長を1.75\times10^{2}$に減らし、従来の設計で遭遇した同時多重モードのスペクトルマッチングの難しさを克服した。 提案した共設計フレームワークは,共分散行列適応進化戦略の約10倍,41倍の周波数整合誤差をそれぞれ達成する。 このエレクトロメトリは、約4.04\times10^{3}$の平均入力パワー感度を向上し、マルチ量子量子センシングのためのコンパクトなハードウェアへの一般的なルートとして量子ハードウエアのスペクトル共設計を示すと予測されている。

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