[論文レビュー] Intrinsic and induced quantum quenches for enhancing qubit-based quantum noise spectroscopy

Yuxin Wang, Aashish A. Clerk|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 79被引用数 28

ひとこと要約

本稿は、標準的なT2ベースの量子センシングプロトコルが、プロトコル開始時に有効バスターミナルのハミルトニアンに急変が生じるため、環境バストに本質的に量子クエンチを引き起こすことを明らかにする。結果として生じるクエンチ位相シフト（QPS）を分析することで、著者らは、環境の温度を直接測定し、スペクトル関数を再構築可能であることを示している。これは、標準的なデ coherent 減衰測定を超える、新たな内在的センシングモダリティを提供する。

ABSTRACT

We discuss how standard $T_2$-based quantum sensing and noise spectroscopy protocols often give rise to an inadvertent quench of the system or environment being probed: there is an effective sudden change in the environmental Hamiltonian at the start of the sensing protocol. These quenches are extremely sensitive to the initial environmental state, and lead to observable changes in the sensor qubit evolution. We show how these new features can be used to directly access environmental response properties. This enables methods for direct measurement of bath temperature, and methods to diagnose non-thermal equilibrium states. We also discuss techniques that allow one to deliberately control and modulate this quench physics, which enables reconstruction of the bath spectral function. Extensions to non-Gaussian quantum baths are also discussed, as is the direct applicability of our ideas to standard diamond NV-center based quantum sensing platforms.

研究の動機と目的

• 標準的なT2ベースの量子ノイズスペクトロスコピー（QNS）プロトコルに起因する意図しない量子クエンチを同定・特徴づけること。
• これらのクエンチが、有効バストハミルトニアンの急変に起因することを示し、初期バスト状態に依存することを示すこと。
• これらのクエンチを、環境の温度とスペクトル関数を測定するための新たなセンシングツールとして開発すること。
• 非平衡ダイナミクスのプローブを可能にするために、非熱的および非ガウス的バスト状態へのフレームワークの拡張を行うこと。
• クエンチベースのセンシングアプローチが、ダイヤモンド中のNVセンターを含む既存のプラットフォームに直接適用可能であることを示すこと。

提案手法

• 量子ビットの初期スーパポジション状態に起因して、t=0で急変（クエンチ）を示す時間に依存する演算子として、有効バストハミルトニアン ˆHb,eff(t) を定式化する。
• クエンチ演算子 ˆV = ˆHb,eff(t=0+) − ˆHb,eff(t=0−) とクエンチ制御関数 η(t) を定義し、クエンチの時間的プロファイルをモデル化する。
• QPSを Φq(tf) = ∫ dt1 F(t1) ∫ dt2 η(t2) GRξV(t1−t2) として解析的に導出する。これにより、バストの散乱感受性と関連づける。
• Hahnエコープロトコルにおける標準的なデコherence 減衰測定と併用してQPSを用い、オーマックバストの環境温度を直接抽出する。
• QPSが熱的平衡状態を超える初期バスト状態に敏感であることを示し、非平衡ダイナミクスの診断が可能であることを示す。
• 非ガウス的バスト状態へのフレームワークの一般化を行い、標準的なNVセンターのセンシングプラットフォームと互換性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なT2ベースのQNSプロトコルは、どのようにして環境バストに意図しない量子クエンチを引き起こすのか？
• RQ2 クエンチ位相シフト（QPS）の物理的起源と、初期バスト状態への依存性は何か？
• RQ3 QPSを用いて、デコherence データとは独立して環境温度を測定可能か？
• RQ4 QPSをどのようにしてバストスペクトル関数の再構築に活用できるか？
• RQ5 このクエンチベースのセンシングフレームワークは、非熱的および非ガウス的バスト状態にどの程度適用可能か？

主な発見

• クエンチ位相シフト（QPS）は、T2プロトコル開始時に有効バストハミルトニアンの急変が生じるため、意図的なクエンチがなくても本質的に生じる。
• QPSは初期バストハミルトニアンにのみ依存するのではなく、非熱的および非平衡状態を含む初期バスト状態に強く依存する。
• オーマックバストの場合、QPS測定とHahnエコープロトコルにおける標準的なデコherence 減衰測定を併用することで、環境温度を直接かつ独立して抽出可能である。
• QPSはバストの散乱感受性を新たなプローブとして提供し、有効状態密度に関連づけられ、スペクトル関数の再構築に利用可能である。
• フレームワークは線形応答および弱い結合の枠組みを超えて一般化可能であり、非ガウス的バスト状態および実用的なセンシングプラットフォーム（例：NVセンター）にも適用可能である。
• QPSは外部の位相シフトと区別可能であり、初期量子ビット状態に敏感であるため、量子センシングにおける新たな制御および診断能力を提供する。