論文の概要: Persistent Quantum-Enhanced Frequency Sensing with T^{-3/2} Scaling
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.22046v1
- Date: Fri, 18 Sep 2026 17:35:56 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-21 18:40:17.224628
- Title: Persistent Quantum-Enhanced Frequency Sensing with T^{-3/2} Scaling
- Title（参考訳）: T^{-3/2}スケーリングによる持続量子強調周波数センシング
- Abstract要約: 我々は、量子ヘテロダインプロトコルにフォック状態の強化を埋め込むことで、永続的な量子優位性を回復する。
我々は、デフォーカス限界を超える7桁のスケールの計測時間に持続する量子強調精度を観察する。
これは固体スピン欠陥以外のQdyneの初めての実証である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.9408846958404082
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum sensing uses nonclassical states to improve measurement sensitivity, but the same states that provide metrological gain also decohere more rapidly. This limits the usable interrogation time and, in practice, often precludes improvement in ultimate sensitivity - realized useful quantum advantage has consequently remained rare. Here, we restore persistent quantum advantage by embedding Fock-state enhancement within a quantum heterodyne (Qdyne) protocol, decoupling sensitivity from the decoherence-limited interrogation time τ. Measurements are acquired at short τ where the quantum-enhanced gain is optimal, while precision accumulates with the total measurement time. Demonstrated on the motional mode of a trapped 40Ca+ ion, we observe quantum-enhanced precision that persists to measurement times seven orders of magnitude beyond the dephasing limit, scaling as T^{-3/2} with no indication of saturation. Using the n=3 Fock state, we reach a frequency precision of 0.5uHz relative to an 86MHz carrier, achieving a fractional precision ~6x10^{-15}. This represents a quantum-enhanced gain of 7.1(10) dB over the n=0 state, in agreement with Fisher information predictions. This is the first demonstration of Qdyne beyond solid-state spin-defects. Further, by using the quantum harmonic oscillator to perform frequency mixing, we extend operation beyond 1GHz, two orders of magnitude above the ceiling of pulsed dynamical-decoupling implementations. These results recover quantum advantage at the long timescales required to improve ultimate sensitivity, with direct implications for nanoscale NMR and quantum logic spectroscopy.
- Abstract（参考訳）: 量子センシングは、測定感度を向上させるために非古典的状態を使用するが、メロジカルな利得を提供する状態もより急速にデコヒールする。
これは使用可能な尋問時間を制限し、実際は、しばしば究極の感度の改善を妨げる。
ここでは、量子ヘテロダイン(クダイン)プロトコルにフォック状態の強化を埋め込むことで永続的な量子優位性を回復し、デコヒーレンス限定の尋問時間τから感度を分離する。
測定は、量子化ゲインが最適である短いτで取得され、精度は全測定時間とともに蓄積される。
閉じ込められた40Ca+イオンの運動モードを実証し、飽和の兆候のないT^{-3/2}としてスケールし、デファス限界を超える7桁の測定時間まで持続する量子強調精度を観測した。
n=3フォック状態を用いて、86MHzキャリアに対して0.5uHzの周波数精度に達し、分数精度 ~6x10^{-15} を達成する。
これは、フィッシャー情報予測と一致して、n=0状態上の7.1(10) dBの量子化ゲインを表す。
これは固体スピン欠陥以外のQdyneの初めての実証である。
さらに、周波数混合を行うために量子調和振動子を用いることで、パルス力学デカップリング実装の天井より2桁高い1GHz以上の動作を拡大する。
これらの結果は、ナノスケールNMRや量子論理分光に直接影響して、究極感度を向上させるのに必要な長い時間スケールで量子優位性を回復する。
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