[論文レビュー] Back-action-free measurement of a single nuclear spin

Matthias Pfender, Ping Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、核スピンの進動と測定タイミングを同期させることで、単一核スピンに対するバックアクションフリーな量子測定を実証した。これにより、100 ms間、摂動のない量子状態の時間発展が達成され、周波数分解能は3.4 Hzに達した。この手法により、量子バックアクションの限界に達する高精度センシングが可能となり、測定強度を高めた際には共鳴スピントラッピングへの相転移が観察された。

ABSTRACT

The precision of any measurement is ultimately limited by quantum mechanics, due to the intrinsic back action of quantum measurements. This is particularly relevant for nanoscale precision measurements where the sensor and the target to be measured are both quantum objects in close contact. A potential solution is to use weak measurements, where one tries to mitigate back action by minimally entangling sensor and probe. While weak measurements have been studied extensively in theory and demonstrated experimentally in superconducting qubits and other systems, practical quantum sensing has not yet reached the back action limit. Here, we achieve quantum sensing at the ultimate precision limit set by the measurement strength and demonstrate back-action free precision quantum measurement of a single nuclear spin. By carefully timing the quantum measurement to the precession of the single nuclear spin we reach a regime where the measurement back action is negligible, yielding quantum evolution of the target nuclear spin unperturbed by the measurement over a timescale of 100 ms and hence a frequency resolution of 3.4 Hz. Upon increasing the measurement strength we observe a phase transition to a state where the nuclear spin is coherently trapped during the measurement process. We expect the findings to be of pivotal importance for single molecule NMR and nuclear spin based quantum computing.

研究の動機と目的

• ナノスケールの量子測定における根本的限界である量子バックアクションを克服すること。
• 測定強度が定める最終的なバックアクション限界において、高精度な量子センシングを達成すること。
• 標的の核スピンが測定プロセスによる摂動を受けることなく、量子力学的に時間発展することを実証すること。
• 強い測定条件下での共鳴スピントラッピングへの遷移を探索すること。

提案手法

• 測定を単一核スピンの進動と同期させることでバックアクションを最小限に抑える。
• 弱い測定を用いてセンサーと標的スピンのエンタングルメントを最小限に抑え、摂動を低減する。
• 核スピンの動的周期と整合するよう測定タイミングを正確に制御する。
• 100 ms間にわたり量子状態の時間発展をモニタリングし、摂動のないダイナミクスを評価する。
• 測定強度を段階的に増加させ、共鳴スピントラッピングへの遷移を観察する。
• バックアクション効果を分離できる量子センシングプロトコルを用いてシステムを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一核スピンの量子測定を、バックアクションを伴わず、その量子的時間発展を保ったまま行うことができるか？
• RQ2 測定中に核スピンが摂動を受けない最大の時間スケールは何か？
• RQ3 測定強度を高めると、標的スピンのコヒーレンスとダイナミクスにどのような影響が生じるか？
• RQ4 強い測定条件下で共鳴スピントラッピングへの相転移が発生するか？
• RQ5 この手法が、測定強度が定める根本的精度限界に達することができるか？

主な発見

• 核スピンは測定によって摂動を受けず、最大100 ms間、時間発展を示した。バックアクションフリーな量子センシングを実証した。
• 周波数分解能が3.4 Hzに達し、最終的な量子限界に近づいた。
• 測定強度を高めた際、共鳴スピントラッピング状態への相転移が観察された。
• スピンの進動に合わせて測定タイミングを調整することで、バックアクションは無視できるほど小さくなり、高精度なセンシングが可能になった。
• この手法により、根本的なバックアクション限界での量子センシングが実現され、精度の新たな基準を確立した。
• これらの発見は、単一分子NMRおよび核スピンを用いた量子コンピューティングにおいて、画期的な役割を果たすと予想される。