[論文レビュー] Optimal control for one-qubit quantum sensing

Francesco Poggiali, Cappellaro, P.+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 21, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、時間変化する磁場への感度を直接最適化する、1キュービット量子センサーの新しい最適制御フレームワークを提案する。環境ノイズをコスト関数に組み込み、ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥（NV）中心を用いた数値最適化により、位相の蓄積とデ coherent 化の抑制が向上し、周波数が複数の成分を含む場合やパルス状の磁場に対して、従来のダイナミカルデコherence法を上回る感度を実現した。

ABSTRACT

Quantum systems can be exquisite sensors thanks to their sensitivity to external perturbations. This same characteristic also makes them fragile to external noise. Quantum control can tackle the challenge of protecting quantum sensors from environmental noise, while leaving their strong coupling to the target field to be measured. As the compromise between these two conflicting requirements does not always have an intuitive solution, optimal control based on numerical search could prove very effective. Here we adapt optimal control theory to the quantum sensing scenario, by introducing a cost function that, unlike the usual fidelity of operation, correctly takes into account both the unknown field to be measured and the environmental noise. We experimentally implement this novel control paradigm using a Nitrogen Vacancy center in diamond, finding improved sensitivity to a broad set of time varying fields. The demonstrated robustness and efficiency of the numerical optimization, as well as the sensitivity advantaged it bestows, will prove beneficial to many quantum sensing applications.

研究の動機と目的

• 量子センサーにおけるターゲット磁場への強い結合と環境ノイズへの感受性の間のトレードオフを解決すること。
• 未知のターゲット磁場とデ coherent 化を考慮した、感度を最適化する制御戦略の開発。
• 位相蓄積とノイズ補償を向上させる、ロバストで数値的に最適化された制御シーケンスの実現。
• 弱い時間変化磁場を検出するために、ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥（NV）中心を用いた実験的妥当性の検証。

提案手法

• 著者らは、未知のターゲット磁場と環境ノイズを組み込んだ、逆感度に基づくコスト関数を定義し、標準的なゲートの忠実度に基づく最適化に代わる。
• 勾配に基づく探索アルゴリズムを用いて、パルスタイミング、持続時間、位相といった制御パrameterについて数値最適化を実行。
• 非均一なパルス間隔や可変位相シフトを含む、柔軟な制御シーケンス設計を可能にし、信号の蓄積を最大化。
• 完全な密度行列シミュレーションを避けるために、高速な数値評価を可能にする実用的な近似により感度を計算。
• パルスの重なりを回避する制約を含め、物理的実現可能性を保ちつつ有効なパルス数を維持。
• 共焦点顕微鏡装置を用いた実験的妥当性評価を実施。マイクロ波制御と光学読み出しを用いた単一NV中心を用い、CPシーケンス測定により磁場振幅をキャリブレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 感度を最適化することにより、最適制御を量子センシングに適応可能か？
• RQ2 コスト関数に環境ノイズを組み込むことで、1キュービットセンサーのロバスト性と感度がどのように向上するか？
• RQ3 パルスシーケンスの数値最適化が、弱い時間変化磁場を検出する際、標準的なダイナミカルデコherence法をどの程度上回るか？
• RQ4 パルスタイミングの柔軟性と位相最適化が、感度向上に与える影響はいかほどか？

主な発見

• 最適化された制御シーケンスは、特に多周波数成分を含む場合やパルス状の磁場に対して、標準的なCarr-Purcellシーケンスと比較して顕著に感度が向上した。
• 位相蓄積が向上し、位相ずれノイズの補償が改善され、逆感度に明確な向上が見られた。
• CPシーケンスデータを用いた実験的逆感度 $\mathcal{E}$ のキャリブレーションに成功し、異なる制御シーケンス間での一貫性ある比較が可能になった。
• 有限のマイクロ波パルス持続時間が、パルスが0.5 μs未満の場合には位相蓄積にほとんど影響を及ぼさないことが判明し、インスタントパルス近似の妥当性が裏付けられた。
• 複数の初期値からも一貫した結果に収束したため、数値的手法のロバスト性と信頼性が示された。
• 磁気インパルス列や多周波数信号を含む広範なターゲット磁場に対して有効であり、生物学的・生理的センシングに応用可能な分野においても有効であった。