[논문 리뷰] Back-action-free measurement of a single nuclear spin

Matthias Pfender, Ping Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 06.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 단일 핵스핀의 고유 진동수와 측정 시점을 정렬함으로써 측정에 의한 영향이 없는 양자 측정을 구현하며, 100 ms 동안 간섭이 없는 양자 진동을 달성하고 주파수 해상도를 3.4 Hz로 도달한다. 이 방법은 측정 강도에 의해 정해지는 양자 역행작용의 한계에 도달하는 정밀 측정을 가능하게 하며, 측정 강도를 높일 경우 공명 스핀 트랩 상태로의 상전이가 관찰된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 양자 측정에서의 기본적인 양자 역행작용 한계를 극복하기 위해.
• 측정 강도에 의해 정해진 최대 역행작용 한계에서 정밀한 양자 측정을 달성하기 위해.
• 대상 핵스핀이 측정 과정에 의해 영향을 받지 않고 양자역학적으로 진화하는 상태를 입증하기 위해.
• 강한 측정 조건에서 공명 스핀 트랩 상태로의 전이를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 측정 시점을 핵스핀의 고유 진동 주기와 동기화시켜 역행작용을 최소화한다.
• 약한 측정을 사용하여 센서와 대상 간의 얽힘이 최소화되도록 하여 간섭을 줄인다.
• 측정 시점을 핵스핀의 동역학 주기와 정확히 일치시켜 제어한다.
• 100 ms 동안의 양자 상태 진동을 모니터링하여 간섭 없는 동역학을 평가한다.
• 측정 강도를 점차 증가시켜 공명 스핀 트랩 상태로의 전이를 관찰한다.
• 역행작용 영향을 분리할 수 있는 양자 측정 프로토콜을 사용하여 시스템을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 과정에서 영향을 받지 않고 단일 핵스핀의 양자 측정을 수행할 수 있는가, 이를 통해 양자 진동이 유지되는가?
• RQ2 측정 중 핵스핀이 간섭 없이 유지될 수 있는 최대 시간 스케일은 얼마인가?
• RQ3 측정 강도를 높일 경우 대상 스핀의 양자 얽힘과 동역학은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 강한 측정 조건에서 공명 스핀 트랩 상태로의 상전이가 발생하는가?
• RQ5 이 방법이 측정 강도에 의해 정해진 기본 정밀도 한계에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 핵스핀은 측정 과정에 의해 간섭받지 않으며 최대 100 ms 동안 양자적으로 진동한다. 이는 역행작용 없는 양자 측정을 실현한 것이다.
• 3.4 Hz의 주파수 해상도를 달성하여 근본적인 양자 한계에 가까이 다가섰다.
• 측정 강도를 높일 경우 시스템은 공명 스핀 트랩 상태로의 상전이를 보인다.
• 스핀의 고유 진동 주기와 정확히 동기화된 측정 시점에서는 역행작용이 무시할 수 없을 정도로 작아져 고정밀 측정이 가능하다.
• 이 방법은 기본적인 역행작용 한계에서 양자 측정을 실현하며, 정밀도의 새로운 기준을 설정한다.
• 이러한 결과는 단일 분자 NMR 및 핵스핀 기반 양자 컴퓨팅에 핵심적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.