[논문 리뷰] Optimal control for one-qubit quantum sensing

Francesco Poggiali, Cappellaro, P.외 1명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2017. 12. 21.

Quantum Information and Cryptography인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 시간에 따라 변하는 자기장에 대한 감도를 직접 최적화하는 새로운 최적 제어 프레임워크를 도입하며, 환경 노이즈를 비용 함수에 통합한다. 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심에서 수치 최적화를 수행한 결과, 위상 축적이 향상되고 디코herence가 억제되어, 다중색성 및 펄스 형식의 필드에 대해 기존의 동적 분할 기법보다 향상된 감도를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 센서에서 목표 필드에 강한 결합을 유지하면서도 환경 노이즈에 취약해지는 문제를 해결하기 위해.
• 기대치 없는 목표 필드와 디코herence를 고려하여, 허용도가 아닌 감도를 최적화하는 제어 전략을 개발하기 위해.
• 위상 축적과 노이즈 보상 능력을 향상시키는 강건한 수치 최적화 제어 시퀀스를 가능하게 하기 위해.
• 약한 시간에 따라 변하는 자기장을 탐지하기 위해 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 사용하여 실험적으로 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 표준 허용도 기반 최적화를 대체하기 위해, 목표 필드와 환경 노이즈를 모두 포함하는 역감도 기반 비용 함수를 정의한다.
• 기울기 기반 검색 알고리즘을 사용하여 펄스 시간, 지속 시간, 위상 등의 제어 파rameter에 대해 수치 최적화를 수행한다.
• 비균일한 펄스 간격과 가변 위상 이동을 포함한 유연한 제어 시퀀스 설계를 가능하게 하여 신호 축적을 최대화한다.
• 완전한 밀도 행렬 시뮬레이션을 피하기 위해 빠른 수치 평가가 가능한 실용적 근사 방법을 통해 감도를 계산한다.
• 펄스 겹침을 방지하기 위한 제약 조건이 포함되어 있어 물리적 실현 가능성과 효과적 펄스 수를 유지한다.
• CP 시퀀스 측정를 통해 필드 강도를 校정한 콫프로브 미크로스코프 설정을 사용하여, 마이크로파 제어 및 광학적 독출을 수행한 실험적 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감도 최적화를 통해 제어를 양자 센서링에 적응시킬 수 있는가, 즉 게이트 허용도가 아닌 감도를 최적화하는가?
• RQ2 비용 함수에 환경 노이즈를 포함시키면 1 큐비트 센서의 강건성과 감도가 어떻게 향상되는가?
• RQ3 수치 최적화된 펄스 시퀀스가 약한 시간에 따라 변하는 자기장을 탐지하는 데 있어 표준 동적 분할 기법을 얼마나 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ4 펄스 시간 조절 유연성과 위상 최적화는 감도 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적화된 제어 시퀀스는 특히 다중색성 및 펄스 형식의 필드에서 표준 Carr-Purcell 시퀀스보다 감도가 뚜렷이 향상됨을 입증하였다.
• 더 나은 위상 축적과 디코herence 노이즈 보상 능력을 달성하여, 역감도 측정에서 명백한 향상이 이루어졌다.
• CP 시퀀스 데이터를 사용하여 실험적 역감도 $\mathcal{E}$ 가 성공적으로 校정되어 다양한 제어 시퀀스 간 일관된 비교가 가능해졌다.
• 유한한 마이크로파 펄스 지속 시간이 펄스 길이가 0.5 μs 이하일 경우 위상 축적에 미치는 영향이 무시할 만큼 작다는 것이 확인되어, 즉시 펄스 근사가 타당함을 입증하였다.
• 다양한 초기 추측값에 대해 수렴 결과가 일관되게 나타나, 수치적 접근의 강건성과 신뢰성을 입증하였다.
• 이 방법은 생물학적 및 생리학적 센싱에 관련된 맥락에서 유의미한 맥락인 자기 펄스 열과 다중주파수 신호를 포함한 광범위한 목표 필드에 대해 효과적이었다.