論文の概要: Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.21501v1
• Date: Fri, 18 Sep 2026 08:50:42 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-21 18:40:16.937727
• Title: Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers
• Title（参考訳）: 単一NV中心を用いたデューティサイクル限定干渉計の最適制御
• Abstract要約: 我々は同じ種類のセンサに対するパルス単一NV経路について検討した。 最適化されたRamseyよりも1ショットあたりの感度が25～27%向上した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Stimulus-responsive hydrogels convert temperature changes into magnetic-field shifts detectable by nitrogen-vacancy (NV) centers, enabling nanoscale thermometry in soft and biological environments. Existing hydrogel-nanodiamond demonstrations rely on NV ensembles, whose high photon throughput is accompanied by gradient-induced inhomogeneous broadening, while idealized single-NV projections assume high-fluence fluorescence/ODMR readout. Here we study a pulsed single-NV route for the same class of sensors and ask whether decoherence-aware coherent control can improve thermometric performance over optimized Ramsey interrogation at equal detected-photon budget. Using a sigmoidal volume-phase-transition model, dipolar magnetic transduction, and Lindblad master-equation simulations, we find a reproducible 25-27% per-shot sensitivity gain over optimized Ramsey, i.e., a 57-60% gain in Fisher information (1.57-1.60). The same gain carries over to the photon-normalized Fisher information. The rate gain is governed by the measurement duty cycle, the fraction of the experimental cycle spent accumulating signal rather than initializing, reading out or waiting, and becomes largest when the overhead or optical-dose constraint dominates the cycle time. The optimized trajectories reveal a response-shaping mechanism in which phase accumulation is concentrated near the end of the sequence, and a closed-form depth-two solution reproduces the numerical optimum and exhibits that mechanism analytically. The advantage is most pronounced when the dephasing time is short compared with the measurement overhead or dose-limited waiting time, which is the operating regime targeted by hydrogel-transduced single-spin biosensing.
• Abstract（参考訳）: 刺激応答性ハイドロゲルは、温度変化を窒素空孔(NV)中心で検出可能な磁場シフトに変換し、ソフトおよび生物環境でナノスケールの温度測定を可能にする。 既存のハイドロゲル-ナノダイアモンドの実証はNVアンサンブルに依存しており、その高い光子のスループットは勾配によって誘導される不均一な拡大を伴う。 本稿では,同じ種類のセンサに対するパルス単一NV経路について検討し,デコヒーレンスを意識したコヒーレント制御が,同じ検出光度予算で最適化されたラムゼー検定よりも温度測定性能を向上させるか否かを問う。 シグモダル体積-相転移モデル、双極子磁気トランスダクション、リンドブラッドマスター-方程式シミュレーションを用いて、最適化されたラムゼーよりも再現可能な25-27%の感度ゲイン、すなわち、フィッシャー情報(1.57-1.60)の57-60%のゲインを求める。 同じ利得は、光子正規化フィッシャー情報に引き継がれる。 レートゲインは、初期化、読み出し、待機ではなく、実験サイクルが蓄積した信号の分数であり、オーバーヘッドまたは光線量制約がサイクル時間を支配するときに最大となる測定デューティサイクルによって制御される。 最適化された軌道は、位相蓄積がシーケンスの終端付近に集中する応答整形機構を示し、閉形式深度2の解は数値最適化を再現し、その機構を解析的に示す。 この利点は、ハイドロゲルを用いた単一スピンバイオセンシングをターゲットとした運転形態である、測定オーバーヘッドや線量制限待ち時間と比較すると、デフォーカス時間が短い場合に最も顕著である。

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